WO2006026975A2 - Verfahren zur herstellung eines strahlungsabsorbierenden optischen elements und strahlungsabsorbierendes optisches element - Google Patents

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Antje Kaless
Peter Munzert
Michael Scheler
Ulrike Schulz
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    • G02B5/003—Light absorbing elements
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    • B29C59/00—Surface shaping of articles, e.g. embossing; Apparatus therefor
    • B29C59/14—Surface shaping of articles, e.g. embossing; Apparatus therefor by plasma treatment
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    • Y10T428/31678—Of metal

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a radiation-absorbing optical element according to the preamble of patent claim 1 and a radiation-absorbing optical element according to the preamble of patent claim 15.
  • Radiation-absorbing optical elements in the context of the invention are understood as meaning both partially absorbing and at least almost completely absorbing optical elements.
  • Partially absorbing optical elements are used, for example, as optical filters for targeted light attenuation, in particular as color-neutral filters.
  • Optical elements which almost completely absorb incident radiation are also referred to as "black" densities and are used, for example, in sensor technology in the visible and in the near infrared spectral range, in particular in the case of pyroelectric sensors.
  • One way of producing black layers is to coat a surface with a high-boiling flame of an organic gas, for example, acetylene.
  • an organic gas for example, acetylene.
  • the thickness and the uniformity of the black layer thus produced are often unsatisfactory.
  • the Ober ⁇ surface is heated strongly, which is particularly disadvantageous if behind the surface sensitive sensors are arranged.
  • porous metal layers often have only a low long-term stability.
  • metal layers can be converted by anodic oxidation or plasma chemical oxidation into black oxide ceramic layers.
  • these show undesirably high reflection values in the near infrared spectral range and can only be generated on metallic or similarly temperature-stable and chemically resistant carriers.
  • the first layer forms a material from one of the groups 4A or 5A of the periodic system of the elements, which is followed by a nitride layer and a carbide layer of the same element.
  • the layer sequence is completed by a carbon-containing layer.
  • the invention has for its object to provide an improved method for producing a radiation-absorbing optical element, which is characterized by a relatively low production cost and in particular is also applicable to relatively temperature-sensitive plastic substrates. Furthermore, a radiation-absorbing optical element is to be specified, which is characterized in particular by high long-term stability and extremely low spatial variation of the optical properties of absorption, transmission and reflection.
  • This object is achieved by a method of producing a
  • a radiation-absorbing optical element which contains a substrate made of a plastic is produced by forming a refractive index gradient layer on at least one surface of the substrate, and subsequently applying a metal layer to the refractive index gradient layer. Due to the refractive index gradient layer, the reflection in the
  • the thickness of the refractive index gradient layer produced, within which the refractive index varies in the direction perpendicular to the surface of the substrate, is preferably 50 nm or more, particularly preferably 200 nm or more.
  • the reflection of the refractive index gradient layer formed on the substrate in the wavelength range from 400 nm to 1100 nm is less than 1.5%. Due to the roughness of the interface, almost no specular reflection occurs and at most a small portion of the light incident on the substrate surface is diffusely reflected.
  • the absorption A I-T-R essentially depends on the transmission T of the metal layer determined.
  • the transmission T of the metal layer can advantageously be varied by varying the thickness of the metal layer.
  • a metal layer whose thickness is 200 nm or more, is applied the transmission T of the metal layer can be reduced to a negligible value compared to 1, so that very high values for the absorption A can be achieved.
  • the average absorption in the wavelength range of 200 nm to 800 nm may advantageously be 98% or more. In the UV spectral range from 200 nm to 380 nm, even an average absorption of more than 99% can be achieved.
  • the invention is not limited to the production of such highly absorbent black layers. Rather, by varying the thickness of the metal layer, the transmission T and consequently the absorption A can be set to almost any desired values.
  • partially absorbing layers which can be used in particular as color-neutral filters, can be produced with a defined value of the absorption A.
  • a metal layer having a thickness of between 2 nm and 100 nm inclusive can be applied to the substrate provided with the refractive index gradient layer.
  • the applied metal layer may in particular contain silver, gold or aluminum.
  • the refractive index gradient layer on the substrate surface is advantageously produced by roughening the plastic substrate so that the refractive index gradient layer extends from the surface of the substrate into the substrate.
  • the extends are advantageously produced by roughening the plastic substrate so that the refractive index gradient layer extends from the surface of the substrate into the substrate.
  • Refractive index gradient layer to a depth of 50 nm or more, more preferably even 200 nm or more into the substrate.
  • the generation of the refractive index gradient layer on the surface or surfaces of the plastic substrate preferably takes place by means of a plasma etching process.
  • the plasma etching process can be carried out in a vacuum evaporation plant which has a plasma ion source.
  • plasma ion sources are usually used in the production of optical layers in order to obtain a substrate pre-treatment by ion bombardment and / or an additional energy input by an ion bombardment during the
  • the plasma etching process is preferably carried out in an Ar plasma, oxygen preferably being supplied to the plasma.
  • the energy of the ions should be 100 eV or more and the duration of the plasma etching process should be 200 seconds or more of the plastic substrate are roughened such that a refractive index gradient layer extends into the substrate to a depth of 50 nm or more, preferably even 200 nm or more Further details of the plasma etching process can be found in DE 102 41 708 A1, the content of which is hereby incorporated by reference is taken by reference.
  • a refractive index gradient layer is produced not only on the surface of the plastic substrate provided for applying the metal layer, but also on an opposite surface of the substrate.
  • the process according to the invention is particularly suitable for plastic substrates which contain PMMA (polymethylmethacrylate), CR39 (diethylene glycol bisalkyl carbonate) or other methyl methacrylate-containing polymers. Since the method according to the invention is comparatively fast, simple and inexpensive, and also has a high fault tolerance, it is also suitable for mass components.
  • PMMA polymethylmethacrylate
  • CR39 diethylene glycol bisalkyl carbonate
  • the inventive method is particularly suitable for the production of absorbers for pyroelectric sensors, or for absorbers, which are used in the optical device construction as a beam trap or for the absorption of scattered light.
  • a radiation-absorbing element according to the invention as a decorative layer for everyday objects, for example as the dial of a clock.
  • the applied metal layers also have sufficient electrical conductivity for various sensor applications.
  • FIGS. 1A, 1B, 1C and 1D show a schematic illustration of an exemplary embodiment of a method according to the invention with reference to four intermediate steps
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a cross section through a first exemplary embodiment of a radiation-absorbing optical element according to the invention
  • FIG. 3 is a graph showing an absorption spectrum of the radiation-absorbing optical element in the first embodiment of the invention
  • FIG. 4 is a graph showing a reflection spectrum of the substrate-facing back side of the gold layer of the radiation-absorbing optical element in the first embodiment of the invention
  • FIG. 5 is a graph showing a reflection spectrum of the front side of the gold layer of the radiation-absorbing optical element facing away from the substrate in the first embodiment of the present invention
  • FIG. 6 is a graphical representation of transmission spectra of 6 further embodiments of the invention.
  • FIG. 7 shows a graphic representation of reflection spectra of the backs of the silver layers facing the substrate in the six exemplary embodiments of the invention
  • FIG. 8 shows a graph of the transmission T for an exemplary embodiment of a radiation-absorbing optical element according to the invention with a silver layer and for a silver layer applied to a conventional substrate as a function of the thickness of the silver layer.
  • FIG. 1A shows a plastic substrate 1, for example made of PMMA or CR39, which has a front-side surface 2 and a rear-side surface 3.
  • the surface roughness of such a substrate is typically in the range of 1 nm or less and the reflectance to air is about 4%.
  • a refractive index gradient layer 4 is produced on the front-side surface 2 of the substrate 1 with a plasma etching process in which the substrate 1 is bombarded with ions 5.
  • the plastic substrate 1 is roughened by the plasma etching.
  • the refractive index gradient layer 4 produced on the surface 2 thus extends from the surface 2 of the substrate 1 into the substrate 1.
  • the refractive index gradient layer extends into the substrate to a depth of 50 nm or more, more preferably even more than 200 nm or more.
  • a vacuum deposition apparatus of the APS904 type from Leibold-Optics is suitable for carrying out the plasma etching process.
  • this is typically about 7 * 10 4 "pumped mbar. 6
  • the following is an argon plasma at a pressure of about 3 * 10" generates mbar, the approximately 30 sccm of oxygen are supplied to ,
  • Bias of at least 100 V accelerates ions with a corresponding energy of at least 100 eV toward the substrate.
  • the substrate surface 2 is roughened such that it has a refractive index gradient layer 4, within which the refractive index varies from the surface of the substrate 2 to a depth of more than 200 nm.
  • a second refractive index gradient layer 6 is also produced on the rear side 3 opposite the front surface 2 with the plasma etching process described above. This is advantageous for applications in which the back side 3 of the substrate 1 should also have the lowest possible reflection.
  • a metal layer 7 which contains, for example, Al, Ag or Au is applied to the front-side refractive index gradient layer 4.
  • the application of the metal layer is preferably carried out by means of sputtering.
  • partially absorbing or almost completely absorbing optical elements can be produced.
  • FIG. 2 shows a first exemplary embodiment of a radiation-absorbing optical element according to FIG.
  • Plasma etching process generated Brechieregradienten füren 4, 6, the front surface 2 and the back surface 3 of the substrate 1 has a particularly low reflection.
  • Radiation 8, which impinges on the radiation-absorbing optical element from the rear side 3 of the substrate 1, therefore becomes at the interface 3 between a surrounding medium, for example air, and the substrate 1, and at the boundary surface between the substrate 1 and the metal layer 7 advantageously only reflected to a very small extent.
  • the radiation therefore penetrates almost completely into the gold layer 7. Since the transmission of the gold layer 7 due to its thickness of about 200 nm is also extremely low, the radiation 8 in the gold layer 7 is almost completely absorbed. Seen from the back 3 of the substrate 1 from the gold layer 7 therefore appears matt black.
  • the surface 9 of the gold layer 7 which faces away from the substrate 1 has a non-negligible reflection R, so that surface 9 impinges on the surface 9
  • Radiation 10 is at least partially reflectorized on the gold layer 7.
  • FIG. 3, FIG. 4 and FIG. 5 show absorption and reflection spectra of the first exemplary embodiment of the invention in a wavelength range between 200 nm and 800 nm.
  • the absorption spectrum 11 shown in FIG. 3 for radiation 8 incident from the rear side 3 of the substrate 1 was determined using a scattered light sphere.
  • the ultraviolet spectral range from 200 nm to 380 nm, the average Absorption more than 99%. Over the entire measuring range from 200 nm to 800 nm, the absorption on average is 98.3%.
  • the reflection spectrum 12 of the rear side 3 shown in FIG. 4, that is to say the side of the substrate 1 facing away from the metal layer 7, has an average reflection of less than 1% in the visible spectral range.
  • the reflection spectrum 13 of the surface 9 of the 200 nm thick gold layer on the front side 2 of the substrate 1 of the first exemplary embodiment shown in FIG. 5 shows the high reflection in the visible spectral range which is typical for a metal layer.
  • FIG. 6 shows transmission spectra of 6 further exemplary embodiments of the invention, in which silver layers with different thicknesses are applied to a 1 mm thick substrate 1 of PMMA on which a refractive index gradient 4, 6 has been produced on both sides.
  • the thickness of the applied silver layer is 10 nm at the curve 14, 20 nm at the curve 15, 30 nm at the curve 16, 40 nm at the curve 17, 50 nm at the curve 18 and 50 nm and 60 nm at the curve 19
  • This representation of the transmission T as a function of the wavelength ⁇ for different layer thicknesses of the silver layer makes it clear that optical filters with different values for the transmission T can be realized by varying the thickness of the metal layer 7 with the method according to the invention.
  • the curve 20 shows the reflection R for the layer thickness of the silver layer of 10 nm, curve 21 for the thickness 20 nm, curve 22 for the thickness 30 nm, curve 23 for the thickness 40 nm, curve 24 for the thickness 50 nm and curve 25 for the thickness 60 nm.
  • Reflection can be varied in particular in the visible spectral range.
  • FIG. 8 shows in curve 26 the transmission T as a function of the layer thickness d of a silver layer which according to the invention was applied to a substrate provided with a refractive index gradient layer, and in curve 27 the transmission T as a function of the thickness of a silver layer which was applied to a conventional substrate.
  • the comparison illustrates that the transmission T for the radiation-absorbing optical elements produced according to the invention decreases more slowly with increasing layer thickness than when applied on conventional substrates

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung eines strahlungsabsorbierenden optischen Elements, das ein Substrat (1) aus einem Kunststoff enthält, wird auf mindestens einer Oberfläche (2) des Substrats (1) mittels eines Plasmaätzprozesses eine Brechzahlgradientenschicht (4) erzeugt und nachfolgend eine Metallschicht (7) auf die Brechzahlgradientenschicht (4) aufgebracht.

Description

Verfahren zur Herstellung eines strahlungsabsorbierenden optischen Elements und strahlungsabsorbierendes optisches Element
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines strahlungsabsorbierenden optischen Elements nach dem Ober¬ begriff des Patentanspruchs 1 und ein strahlungsabsorbieren¬ des optisches Element nach dem Oberbegriff des Patentan¬ spruchs 15.
Unter strahlungsabsorbierenden optischen Elementen werden im Rahmen der Erfindung sowohl teilweise absorbierende als auch zumindest nahezu vollständig absorbierende optische Elmente verstanden. Teilweise absorbierende optische Elemente werden zum Beispiel als optische Filter zur gezielten Lichtabschwä- chung, insbesondere als farbneutrale Filter, verwendet. Optische Elemente, die auftreffende Strahlung nahezu voll¬ ständig absorbieren, werden auch als Schwarzsσhichten bezeichnet und beispielsweise in der Sensorik im sichtbaren und im nahen infraroten Spektralbereich verwendet, insbeson¬ dere bei pyroelektrischen Sensoren.
Eine Möglichkeit zur Herstellung von Schwarzschichten besteht darin, eine Oberfläche mit einer stark rußenden Flamme eines organischen Gases, zum Beispiel Acetylen, zu beschichten. Die Dicke und die Gleichmäßigkeit der so erzeugten Schwarzschicht sind aber oftmals unbefriedigend. Weiterhin wird die Ober¬ fläche stark erhitzt, was insbesondere dann nachteilig ist, wenn hinter der Oberfläche empfindliche Sensoren angeordnet sind.
Bei einem anderen Verfahren wird durch eine Verdampfung eines Metalls, z.B. Silber, in einem Grobvakuum von etwa 1,33 mbar eine Schwarzschicht aus einer porösen Metallschicht.erzeugt .
Allerdings weisen derartige poröse Metallschichten oftmals nur eine geringe Langzeitstabilität auf.
Weiterhin ist bekannt, dass Metallschichten durch anodische Oxidation oder plasmachemische Oxidation in schwarze oxid¬ keramische Schichten umgewandelt werden können. Diese zeigen aber unerwünscht hohe Reflexionswerte im nahen infraroten Spektralbereich und können nur auf metallischen oder ähnlich temperaturstabilen und chemisch beständigen Trägern erzeugt werden.
Aus der FR-A-2 592 063 ist bekannt, eine Schwarzschicht durch das Aufbringen mehrerer Schichten mit unterschiedlicher Zusammensetzung zu erzeugen. Die erste Schicht bildet dabei ein Material aus einer der Gruppen 4A oder 5A des Perioden¬ systems der Elemente, der eine Nitridschicht und eine Carbid- schicht desselben Elements nachfolgen. Die Schichtenfolge wird durch eine kohlenstoffhaltige Schicht abgeschlossen.
Die Verwendung einer Schwarzschicht als dekorative Schicht wird in der US 4,634,635 beschrieben. Hierin wird offenbart, die Oberfläche eines Ornaments mittels einem plasma¬ unterstützten CVD-Verfahren mit SiC zu beschichten, wobei die Oberfläche während des Beschichtungsprozesses auf hohe Tempe¬ raturen erhitzt wird. Für die Beschichtung von temperatur¬ empfindlichen Kunststoffen ist ein derartiges Verfahren deshalb nicht geeignet .
In der DE 689 10731 T2 wird eine absorbierende Beschichtung beschrieben, die mittels Kathodenzerstäubung (Sputtern) erzeugt wird. Dabei werden beispielsweise Targets, die eine Mischung aus Oxidnitriden des Aluminiums und Titans enthal- ten, verwendet. Die Herstellung derartiger Targets ist aller¬ dings aufwendig und deshalb mit erheblichen Kosten verbunden.
In der DE 102 41 708 Al wird der Einsatz einer Plasmaionen- quelle zur Erzeugung einer Brechzahlgradientenschicht, die die Grenzflächenreflexion eines KunststoffSubstrats reduziert, beschrieben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Strahlungsabsorbierenden optischen Elements anzugeben, das sich durch einen vergleichsweise geringen Herstellungsaufwand auszeichnet und insbesondere auch auf vergleichsweise temperaturempfindliche Substrate aus Kunststoff anwendbar ist. Weiterhin soll ein Strahlungsabsorbierendes optisches Element angegeben werden, das sich insbesondere durch eine hohe Langzeitstabilität und eine äußerst geringe räumliche Variation der optischen Eigen¬ schaften Absorption, Transmission und Reflexion auszeichnet.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines
Strahlungsabsorbierenden Elements nach Patentanspruch 1 und ein Strahlungsabsorbierendes optisches Element nach Patent¬ anspruch 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiter¬ bildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß der Erfindung wird ein strahlungsabsorbierendes optisches Element, das ein Substrat aus einem Kunststoff enthält, dadurch hergestellt, dass auf mindestens einer Ober- fläche des Substrats eine Brechzahlgradientenschicht erzeugt wird, und nachfolgend eine Metallschicht auf die Brechzahl¬ gradientenschicht aufgebracht wird. Durch die Brechzahlgradientenschicht wird die Reflexion im
Vergleich zu einer herkömmlichen KunststoffOberfläche, die aufgrund ihrer vergleichsweise geringen Rauheit einen annähernd sprunghaften Übergang des Brechzahl zum Umgebungs- medium aufweist, vorteilhaft stark vermindert.
Die Dicke der erzeugten Brechzahlgradientenschicht, innerhalb derer die Brechzahl in der Richtung senkrecht zur Oberfläche des Substrats variiert, beträgt vorzugsweise 50 nra oder mehr, besonders bevorzugt sogar 200 nm oder mehr.
Beispielsweise kann erreicht werden, dass die Reflexion der auf dem Substrat erzeugten Brechzahlgradientenschicht im Wellenlängenbereich von 400 nm bis 1100 nm weniger als 1,5 % beträgt . Aufgrund der Rauheit der Grenzfläche tritt nahezu keine spiegelnde Reflexion auf und allenfalls ein geringer Anteil des auf die Substratoberfläche auftreffenden Lichts wird diffus reflektiert .
Betrachtet man einen Lichtstrahl, der von der Substratseite her die auf das Substrat aufgebrachte Metallschicht durch¬ quert, muss die Summe der Transmission T, der Absorption A und der Reflexion R aufgrund der Energieerhaltung 1 ergeben, es gilt also: T + R + A = 1. Da die Reflexion R an der Grenz- fläche zwischen dem Substrat und der Metallschicht durch die im ersten Verfahrensschritt erzeugte Brechzahlgradienten¬ schicht auf einen sehr geringen Wert verkleinert werden kann, wird die Absorption A = I - T - R im wesentlichen von der Transmission T der Metallschicht bestimmt.
Die Transmission T der Metallschicht kann vorteilhaft durch eine Variation der Dicke der Metallschicht variiert werden. Indem beispielsweise eine Metallschicht, deren Dicke 200 nm oder mehr beträgt, aufgebracht wird, kann die Transmission T der Metallschicht auf einen gegen 1 vernachlässigbar geringen Wert vermindert werden, so dass sehr hohe Werte für die Absorption A erreicht werden können. '
Insbesondere kann auf diese Weise eine Schwarzschicht herge¬ stellt werden, die auftreffendes Licht nahezu vollständig absorbiert. Die mittlere Absorption im Wellenlängenbereich von 200 nm bis 800 nm kann vorteilhaft 98% oder mehr betragen. Im UV-Spektralbereich von 200 nm bis 380 nm kann sogar eine mittlere Absorption von mehr als 99% erzielt werden.
Die Erfindung ist nicht auf die Herstellung derartig hoch absorbierender Schwarzschichten beschränkt. Vielmehr kann durch eine Variation der Dicke der Metallschicht die Transmission T und folglich auch die Absorption A auf nahezu beliebige Werte eingestellt werden. So können auch teilab¬ sorbierende Schichten, die insbesondere als farbneutrale Filter eingesetzt werden können, mit einem definierten Wert der Absorption A hergestellt werden. Zur Herstellung einer solchen teilabsorbierenden Schicht kann beispielsweise eine Metallschicht mit einer Dicke zwischen einschließlich 2 nm und 100 nm auf das mit der Brechzahlgradientenschicht versehene Substrat aufgebracht werden.
Da mit modernen Beschichtungsverfahren eine hohe Reproduzier¬ barkeit und eine sehr gute Homogenität der Dicke der Metall- schicht über die zu beschichtende Oberfläche erreicht werden kann, wird durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren auch eine besonders gute Homogenität und Reproduzierbarkeit der optischen Eigenschaften des Strahlungsabsorbierenden optischen Elements erreicht. Vorzugsweise erfolgt das Aufbringen der Metallschicht mittels Sputtern. Alternativ sind selbstverständlich auch andere Beschichtungsverfahren geeignet.
Die aufgebrachte MetallSchicht kann insbesondere Silber, Gold oder Aluminium enthalten.
Die Brechzahlgradientenschicht an der Substratoberfläche wird vorteilhaft durch eine Aufrauung des KunststoffSubstrats erzeugt, so dass sich die Brechzahlgradientenschicht von der Oberfläche des Substrats aus in das Substrat hinein erstreckt. Vorteilhaft erstreckt sich die
Brechzahlgradientenschicht bis in eine Tiefe von 50 nm oder mehr, besonders bevorzugt sogar 200 nm oder mehr, in das Substrat hinein.
Die Erzeugung der Brechzahlgradientenschicht auf der oder den Oberflächen des KunststoffSubstrats erfolgt vorzugsweise mittels eines Plasmaätzprozesses. Der Plasmaätzprozess kann in einer Vakuumbedampfungsanlage, die über eine Plasmaionen¬ quelle verfügt, durchgeführt werden. Derartige Plasmaionen¬ quellen werden bei der Herstellung optischer Schichten üblicherweise dazu verwendet, um durch eine Substratvorbe¬ handlung durch Ionenbeschuss und/oder einen zusätzlichen Energieeintrag durch einen Ionenbeschuss während des
Beschichtungsprozesses vorteilhafte Wachstumsbedingungen zu erzielen, insbesondere um Schichten mit geringer Rauheit abzuscheiden, und um die Haftung der Schichten auf dem Substrat zu verbessern. Da Vakuumbedampfungsanlagen zur Herstellung optischer Schichten oftmals bereits über eine
Plasmaionenquelle verfügen, sind in diesem Fall zum Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens keine weiteren Ein- oder Umbauten notwendig. Der Plasmaätzprozess wird bevorzugt in einem Ar-Plasma durch¬ geführt, wobei dem Plasma vorzugsweise Sauerstoff zugeführt wird. Besonders vorteilhaft ist es, wenn etwa 20 sccm bis 40 sccm Sauerstoff zugeführt" werden. Zur Herstellung der Brech¬ zahlgradientenschicht sollte die Energie der Ionen 100 eV oder mehr und die Dauer des Plasmaätzprozesses 200 s oder mehr betragen. Mittels des Plasmaätzprozesses kann vorteilhaft die Oberfläche des KunststoffSubstrats derart aufgeraut werden, das sich eine Brechzahlgradientenschicht bis in eine Tiefe von 50 nm oder mehr, bevorzugt sogar 200 ran oder mehr, in das Substrat hinein erstreckt. Weitere Details des Plasmaätzprozesses können der DE 102 41 708 Al entnommen werden, deren Inhalt hiermit durch Referenz aufgenommen wird.
Bei einer bevorzugten Variante der Erfindung wird nicht nur auf der zum Aufbringen der Metallschicht vorgesehenen Ober¬ fläche des KunststoffSubstrats eine Brechzahlgradienten¬ schicht erzeugt, sondern auch auf einer gegenüberliegenden Oberfläche des Substrats. Dazu werden beispielsweise die
Vorder- und die Rückseite eines KunststoffSubstrats nachein¬ ander mit dem Plasmaätzprozess behandelt. Auf diese Weise wird mit verhältnismäßig geringem Aufwand eine Entspiegelung der Oberfläche, die der absorbierenden Metallschicht gegen- überliegt, erzielt. Durch diese Entspiegelung wird die Absorption des optischen Elements erhöht, da ansonsten Strahlung, die bereits an der der Metallschicht gegenüberlie¬ genden Rückseite des Substrats reflektiert wird, nicht durch das Substrat zu der nachfolgenden absorbierenden Metall- schicht gelangen und dort absorbiert würde.
Besonders geeignet ist das erfindungsgemäße Verfahren für KunststoffSubstrate, die PMMA (Polymethylmethacrylat) , CR39 (Diethylenglycolbisalkylcarbonat) oder andere methyl- methacrylat-haltige Polymere enthalten. Da das erfindungs¬ gemäße Verfahren vergleichsweise schnell, einfach und kosten¬ günstig ist, und zudem eine hohe Fehlertoleranz aufweist, ist es auch für Massenbauteile geeignet.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere zur Herstellung von Absorbern für pyroelektrische Sensoren, oder für Absorber, die im optischen Gerätebau als Strahlfalle oder zur Absorption von Streulicht verwendet werden, geeignet.
Weiterhin ist auch eine Verwendung eines erfindungsgemäßen strahlungsabsorbierenden Elements als dekorative Schicht für Gebrauchsgegenstände, zum Beispiel als Ziffernblatt einer Uhr, denkbar. Vorteilhaft weist die aufgebrachten Metall- schichten auch eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit für verschiedene Sensoranwendungen auf.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungs- beispielen im Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 8 näher erläutert .
Es zeigen:
Figuren IA, IB, IC und ID eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens anhand von vier Zwischenschritten,
Figur 2 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines strahlungsabsorbierenden optischen Elements gemäß der Erfindung, Figur 3 eine graphische Darstellung eines Absorptionsspekt¬ rums des Strahlungsabsorbierenden optischen Elements bei dem ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung,
Figur 4 eine graphische Darstellung eines Reflexionsspektrums der dem Substrat zugewandten Rückseite der Goldschicht des Strahlungsabsorbierenden optischen Elements bei dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 5 eine graphische Darstellung eines Reflexionsspektrums der von dem Substrat abgewandten Vorderseite der Goldschicht des Strahlungsabsorbierenden optischen Elements bei dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 6 eine graphische Darstellung von Transmissionsspektren von 6 weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung,
Figur 7 eine graphische Darstellung von Reflexionsspektren der dem Substrat zugewandten Rückseiten der Silberschichten bei den 6 Ausführungsbeispielen der Erfindung,
Figur 8 eine graphische Darstellung der Transmission T für ein Ausführungsbeispiel eines Strahlungsabsorbierenden optischen Elements gemäß der Erfindung mit einer Silberschicht und für eine auf ein herkömmliches Substrat aufgebrachte Silberschicht in Abhängigkeit von der Dicke der Silberschicht.
Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren eines strahlungs- absorbierenden optischen Elements wird zunächst anhand von den in den Figuren IA, IB, IC und ID schematisch dargestell¬ ten Zwischenschritten erläutert.
Figur IA zeigt ein Kunststoff-Substrat 1, beispielsweise aus PMMA oder CR39-, das eine vorderseitige Oberfläche 2 und eine rückseitige Oberfläche 3 aufweist. Die Oberflächenrauheiten eines derartigen Substrats liegen typischerweise im Bereich von 1 nm oder weniger und das Reflexionsvermögen gegenüber Luft beträgt etwa 4 %.
Bei dem in Figur IB schematisch dargestellten Verfahrens¬ schritt wird auf der vorderseitigen Oberfläche 2 des Substrats 1 mit einem Plasmaätzprozess, bei dem das Substrat 1 mit Ionen 5 beschossen wird, eine Brechzahlgradienten- schicht 4 erzeugt. Zur Erzeugung der
Brechzahlgradientenschicht 4 wird das Kunststoffsubstrat 1 durch den Plasmaätzprozess aufgeraut . Die an der Oberfläche 2 erzeugte Brechzahlgradientenschicht 4 erstreckt sich also von der Oberfläche 2 des Substrats 1 in das Substrat 1 hinein. Vorzugsweise erstreckt sich die Brechzahlgradientenschicht bis in eine Tiefe von 50 nm oder mehr, besonders bevorzugt sogar mehr als 200 nm oder mehr, in das Substrat hinein.
Zur Durchführung des Plasmaätzprozesses ist zum Beispiel eine Vakuumbedampfungsanläge vom Typ APS904 der Firma Leibold- Optics geeignet. Nach dem Einbau eines oder mehrerer Substrate 1 in die Anlage wird diese typischerweise auf etwa 7 * 10"6 mbar abgepumpt. Nachfolgend wird ein Argon-Plasma mit einem Druck von etwa 3 * 10"4 mbar erzeugt, dem etwa 30 sccm Sauerstoff zugeführt werden. Durch Einstellen einer
Vorspannung von mindestens 100 V werden Ionen mit einer entsprechenden Energie von mindestens 100 eV zum Substrat hin beschleunigt. Nach einer Ätzdauer von beispielsweise etwa 300 s ist die Substratoberfläche 2 derart aufgeraut, dass sie eine Brechzahlgradientenschicht 4 aufweist, innerhalb derer die Brechzahl von der Oberfläche des 2 des Substrats aus bis in eine Tiefe von mehr als 200 nm variiert.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird, wie in Figur IC dargestellt ist, auch auf der der vorderseitigen Oberfläche 2 gegenüberliegenden rück¬ seitigen Oberfläche 3 mit dem zuvor beschriebenen Plasma- ätzprozess eine zweite Brechzahlgradientenschicht 6 erzeugt. Dies ist vorteilhaft für Anwendungen, bei der auch die Rück¬ seite 3 des Substrats 1 eine möglichst geringe Reflexion aufweisen soll .
Bei dem in Fig. ID dargestellten nachfolgenden Verfahrens¬ schritt wird auf die vorderseitige Brechzahlgradientenschicht 4 eine Metallschicht 7 aufgebracht, die beispielsweise Al, Ag oder Au enthält. Das Aufbringen der Metallschicht erfolgt bevorzugt mittels Sputtern. Abhängig von der Schichtdicke der Metallschicht können teilweise absorbierende oder nahezu vollständig absorbierende optische Elemente hergestellt werden.
Figur 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Strahlungsabsorbierenden optischen Elements gemäß der
Erfindung, bei dem eine etwa 200 nm dicke Goldschicht 7 auf der vorderseitigen Oberfläche 2 eines 1 mm dicken PMMA- Substrats 1 aufgebracht wurde, das sowohl auf der vorder¬ seitigen Oberfläche 2 als auch auf der rückseitigen Ober- fläche 3 Brechzahlgradientenschichten 4, 6 aufweist.
Bei diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine Schwarzschicht, die von der Substratseite her auftreffende Strahlung 8 nahezu vollständig absorbiert. Durch die mit dem
Plasmaätzprozess erzeugten Brechzahlgradientenschichten 4, 6 weisen die vorderseitige Oberfläche 2 und die rückseitige Oberfläche 3 des Substrats 1 eine besonders geringe Reflexion auf. Strahlung 8, die von der Rückseite 3 des Substrats 1 auf das Strahlungsabsorbierende optische Element auftrifft, wird daher an der Grenzfläche 3 zwischen einem Umgebungsmedium, beispielsweise Luft, und dem Substrat 1, und an der Grenz¬ fläche zwischen dem Substrat 1 und der Metallschicht 7 vorteilhafterweise nur zu einem sehr geringen Anteil reflektiert . Die Strahlung dringt daher nahezu vollständig in die Goldschicht 7 ein. Da die Transmission der Goldschicht 7 aufgrund ihrer Dicke von etwa 200 nm ebenfalls äußerst gering ist, wird die Strahlung 8 in der Goldschicht 7 nahezu vollständig absorbiert . Von der Rückseite 3 des Substrats 1 aus betrachtet erscheint die Goldschicht 7 daher mattschwarz.
Die von dem Substrat 1 abgewandte Oberfläche 9 der Gold¬ schicht 7 weist dagegen eine nicht vernachlässigbare Reflexion R auf, so dass auf die Oberfläche 9 auftreffende
Strahlung 10 zumindest teilweise an der Goldschicht 7 reflek¬ tiert wird.
In Figur 3, Figur 4 und Figur 5 sind Absorptions- und Reflexionsspektren des ersten Ausführungsbeispiels der Erfin¬ dung in einem Wellenlängenbereich zwischen 200 nm und 800 nm dargestellt .
Das in Figur 3 dargestellte Absorptionsspektrum 11 für von der Rückseite 3 des Substrats 1 her auftreffende Strahlung 8 wurde mit einer Streulichtkugel bestimmt. Im ultravioletten Spektralbereich von 200 nm bis 380 nm beträgt die mittlere Absorption mehr als 99 %. Im gesamten Messbereich von 200 nm bis 800 nm beträgt die Absorption im Mittel 98,3 %.
Das in Figur 4 dargestellte Reflexionsspektrum 12 der Rück- seite 3, also der von der Metallschicht 7 abgewandten Seite des Substrats 1, weist im sichtbaren Spektralbereich eine mittlere Reflexion von weniger als 1 % auf.
Das in Figur 5 dargestellte Reflexionsspektrum 13 der Ober- fläche 9 der 200 nm dicken Goldschicht auf der Vorderseite 2 des Substrats 1 des ersten Ausführungsbeispiels zeigt dagegen die für eine Metallschicht typische hohe Reflexion im sicht¬ baren Spektralbereich.
In Figur 6 sind Transmissionsspektren von 6 weiteren Ausfüh¬ rungsbeispielen der Erfindung, bei denen als Metallschicht 7 jeweils Silberschichten mit verschiedenen Dicken auf ein 1 mm dickes Substrat 1 aus PMMA, auf dem beidseitig eine Brech- zahlgradientensσhicht 4, 6 erzeugt wurde, aufgebracht sind. Die Dicke der aufgebrachten Silberschicht beträgt 10 nm bei der Kurve 14, 20 nm bei der Kurve 15, 30 nm bei der Kurve 16, 40 nm bei der Kurve 17, 50 nm bei der Kurve 18 und 50 nm und 60 nm bei der Kurve 19. Diese Darstellung der Transmission T in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ für verschiedene Schichtdicken der Silberschicht verdeutlicht, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren optische Filter mit verschiedenen Werten für die Transmission T durch eine Variation der Dicke der Metallschicht 7 realisierbar sind.
In Figur 7 ist die Reflexion R in Abhängigkeit von der
Wellenlänge λ der zuvor genannten 6 Ausführungsbeispiele mit verschiedenen Dicken der Silberschichten für Strahlung, die auf die dem Substrat zugewandte Seite der Silberschichten auftrifft, dargestellt. Die Kurve 20 zeigt die Reflexion R für die Schichtdicke der Silberschicht von 10 nm, Kurve 21 für die Dicke 20 nm, Kurve 22 für die Dicke 30 nm, Kurve 23 für die Dicke 40 nm, Kurve 24 für die Dicke 50 nm und Kurve 25 für die Dicke 60 nm. Die graphische Darstellung des
Vergleichs der wellenlängenabhängigen Reflexion zeigt, dass durch eine Variation der Schichtdicke der MetallSchicht die. Reflexion insbesondere im sichtbaren Spektralbereich variiert werden kann.
Figur 8 zeigt in Kurve 26 die Transmission T in Abhängigkeit von der Schichtdicke d einer Silberschicht, die gemäß der Erfindung auf ein mit einer Brechzahlgradientenschicht versehenes Substrat aufgebracht wurde, und in Kurve 27 die Transmission T in Abhängigkeit von der Dicke einer Silber¬ schicht, die auf ein herkömmliches Substrat aufgebracht wurde. Der Vergleich verdeutlicht, dass die Transmission T für das erfindungsgemäß hergestellte Strahlungsabsorbierende optische Elemente mit zunehmender Schichtdicke langsamer abnimmt als bei auf herkömmlichen Substraten aufgebrachten
Metallschichten. Dies erleichtert die Herstellung von optischen Filtern mit definierter Transmission, da aufgrund der geringeren Steilheit der Kurve eine höhere Fehlertoleranz hinsichtlich der Sσhichtdicke der aufgebrachten Metallschicht gegeben ist.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfin¬ dung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den
Patentansprüche beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprü¬ chen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Strahlungsabsorbierenden optischen Elements, das ein Substrat (1) aus einem Kunststoff enthält, wobei ->=-"
- auf mindestens einer Oberfläche (2) des Substrats (1) eine Brechzahlgradientenschicht (4) erzeugt wird, und
- nachfolgend eine Metallschicht (7) auf die Brechzahl¬ gradientenschicht (4) aufgebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Brechzahlgradientenschicht (4) in das Substrat (1) hinein erstreckt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Brechzahlgradientenschicht (4) von der Oberfläche (2) des Substrats (1) aus bis in eine Tiefe von 50 nm oder mehr in das Substrat (1) hinein erstreckt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brechzahlgradientenschicht (4) mittels eines Plasma- ätzprozesses erzeugt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) bei dem Plasmaätzprozess mit Ionen (5) beschossen wird, die eine Energie von 100 eV oder mehr aufweisen.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmaätzprozess in einem Ar-Plasma durchgeführt wird und dem Plasma Sauerstoff zugeführt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer des Plasmaätzprozesses 200 s oder mehr beträgt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der MetallSchicht (7) 200 nm oder mehr beträgt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Metallschicht (7) zwischen einschließlich 2 nm und einschließlich 100 nm beträgt.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht (7) Silber, Gold oder Aluminium enthält.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der Metallschicht (7) mittels Sputtern erfolgt.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Brechzahlgradientenschicht (4) auf einer vorderseitigen Oberfläche (2) des Substrats (1) und eine zweite Brechzahlgradientenschicht (6) auf einer rückseitigen Oberfläche (3) des Substrats (1) erzeugt werden.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) PMMA oder CR39 enthält.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexion der auf der Oberfläche (2) des Substrats (1) erzeugten Brechzahlgradientenschicht (4) im Wellen¬ längenbereich von einschließlich 400 nm bis einschließlich 1100 nm weniger als 1,5% beträgt.
15. Strahlungsabsorbierendes optisches Element, das ein Substrat (1) aus einem Kunststoff enthält, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Oberfläche (2) des Substrats (1) eine Brechzahlgradientenschicht (4) aufweist, und eine Metall¬ schicht (7) auf die Brechzahlgradientenschicht (4) aufge- bracht ist.
16. Strahlungsabsorbierendes optisches Element nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Brechzahlgradientenschicht (4) in das Substrat (1) hinein erstreckt.
17. Strahlungsabsorbierendes optisches Element nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Brechzahlgradientenschicht (4) von der Oberfläche (2) des Substrats (1) aus bis in eine Tiefe von 50 nm oder mehr> in das Substrat (1) hinein erstreckt.
18. Strahlungsabsorbierendes optisches Element nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Brechzahlgradientenschicht (4) mittels eines Plasma¬ ätzprozesses erzeugt ist.
19. Strahlungsabsorbierendes optisches Element nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der MetallSchicht (7) 200 nm oder mehr beträgt.
20. Strahlungsabsorbierendes optisches Element nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Absorption im Wellenlängenbereich von 200 nm bis
800 nm mehr als 98 % beträgt.
21. Strahlungsabsorbierendes optisches Element nach Anspruch
19, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Absorption im Wellenlängenbereich von 200 nm bis
380 nm mehr als 99 % beträgt.
22. Strahlungsabsorbierendes optisches Element einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass dass die Dicke der Metallschicht (7) zwischen einschließlich 2 nm und 100 nm beträgt.
23. Strahlungsabsorbierendes optisches Element nach einem der
Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht (7) Silber, Gold oder Aluminium enthält.
24. Strahlungsabsorbierendes optisches Element nach einem der Ansprüche 15 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass eine vorderseitige Oberfläche (2) des Substrats (1) eine erste Brechzahlgradientenschicht (4) aufweist und eine rückseitige Oberfläche (3) des Substrats (1) eine zweite Brechzahlgradientenschicht (6) aufweist.
25. Strahlungsabsorbierendes optisches Element nach einem der Ansprüche 15 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) PMMA oder CR39 enthält.
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