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DE20005071U1 - Optische Komponente mit Dünnschichtheizung - Google Patents

Optische Komponente mit Dünnschichtheizung

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DE20005071U1
DE20005071U1 DE20005071U DE20005071U DE20005071U1 DE 20005071 U1 DE20005071 U1 DE 20005071U1 DE 20005071 U DE20005071 U DE 20005071U DE 20005071 U DE20005071 U DE 20005071U DE 20005071 U1 DE20005071 U1 DE 20005071U1
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optical
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Description

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Optische Komponente mit Dünnschichtheizung
Die vorliegende Erfindung betrifft optische Komponenten wie optische Gläser, Linsen und Spiegel, die eine Oberfläche aufweisen, die mit einer transparenten Dünnschichtheizung versehen ist. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung optische Geräte, die eine derartige optische Komponente enthalten.
Es ist ein bekanntes und lästiges Problem, dass bei Temperaturwechseln optische Komponenten wie Linsen, Spiegel oder auch geschliffene Gläser mit Feuchtigkeit beschlagen. Ein besonderes Problem stellt das Beschlagen zum Beispiel bei Vermessungsgeräten dar, da durch die Benetzung der Oberfläche mit Wasser ein reibungsloses Arbeiten mit derartigen Geräten nicht mehr möglich ist.
Prinzipiell könnte die beschlagene Oberfläche durch Reinigen oder Abwischen mit einem Tuch von dem Wasser befreit werden. Jedoch ist in manchen Geräten die mit Feuchtigkeit beschlagene optische Komponente nur schwer zugänglich, so dass ein Reinigen oder Abwischen mit einem Tuch umständlich oder erst gar nicht möglich ist. Zudem wird dadurch das Problem nicht gelöst, da nach dem Abwischen sofort wieder erneutes Beschlagen auftreten kann.
Es ist bekannt, das Beschlagen von Oberflächen zu verhindern, indem diese Oberflächen mittels einer geeigneten geometrischen Oberflächenstrukturierung anti-benetzend gemacht werden. Eine derartige geometrische Oberflächenstrukturierung beeinträchtigt jedoch die Abbildungseigenschaften und ist daher für optische Komponenten ungeeignet.
Darüber hinaus unterliegen derartige Antihaftschichten der Alterung, so dass sie im Verlauf der Zeit nach und nach unbrauchbar werden.
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Gemäß einem weiteren Lösungsansatz ist vorgeschlagen worden, das optische Gerät als solches mit einem Heizsystem zur Erwärmung zu versehen. Von Nachteil ist hier, dass das gesamte optische Gerät erwärmt wird und nicht nur die Teile, die der Betauung ausgesetzt sind, so dass ein unnötig hoher Energiebedarf erforderlich ist.
Für Geräte, die im Außenbereich - auch über längere Zeit - eingesetzt werden sollen, ist jedoch ein hoher Energiebedarf für die Heizung von Nachteil, da die erforderlichen Energiequellen nur schwer zur Verfügung gestellt werden können. 10
Wünschenswert ist somit eine Heizvorrichtung, die möglichst gezielt nur die Bereiche beheizt, die der Betauung/Beschlagung ausgesetzt sind, und die nur einen geringen Energiebedarf aufweist.
Gezielte Beheizung bedeutet im Fall der vorstehenden optischen Geräte, bei denen die optischen Komponenten vor Betauung geschützt werden sollen, dass diese optischen Komponenten direkt beheizt werden können.
Dies erfordert jedoch eine Heizvorrichtung, die die optischen Eigenschaften, insbesondere die Abbildungseigenschaften, dieser Komponenten nicht beeinträchtigt. Eine geeignete Heizvorrichtung für optische Komponenten sollte daher die Lichtintensität möglichst wenig oder gar nicht beeinträchtigen. Sie muss im genutzten Bereich transparent sein, und sollte zur Vermeidung von Streuung hinreichend glatt sein.
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In der US 4,942,629 ist eine Skibrille beschrieben, deren Sichtglas gegen Beschlagen mit einer heizbaren leitfähigen Schicht, wie zum Beispiel einem transparenten dielektrischen Material, zum Beispiel Zinnoxid oder aus einem
semi-transparenten Metall wie Gold oder Silber versehen ist. 30
Da Skibrillen üblicherweise eine Sonnen- d. h. Lichtschutzfunktion erfüllen sollen, spielen Lichtintensitätsverluste, die durch die beheizbare Schicht bewirkt werden können, keine Rolle, sondern sind vielmehr erwünscht.
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Weiter ist aus der DE 41 40 415 eine Flüssigkristallanzeige beschrieben, wobei eine transparente Schicht aus einem leitfähigen Oxid als Dünnschichtheizung vorgesehen ist (zum Beispiel einer Zinn-Indiumoxid-Schicht), die die Flüssigkristallanzeige bei der erforderlichen Betriebstemperatur für die eingesetzten Flüssigkristalle hält und somit die Flüssigkristallzelle unabhängig von der Außentemperatur macht.
In den vorstehend genannten Druckschriften werden jedoch an die Dünnschichtheizungen keine über eine ausreichende Transparenz hinausgehenden weiteren Eigenschaften gestellt. So weisen Skibrillen keine geschliffenen Gläser mit speziellen optischen Eigenschaften auf, die durch die vorgesehene Heizung nicht beeinträchtigt werden dürfen. Anders bei den optischen Komponenten für optische Geräte, zum Beispiel Vermessungsgeräten, wie sie erfindungsgemäß anfokussiert werden.
Hierbei handelt es sich um Präzisionsgeräte, deren optische Komponenten in aufwendigen Prozessen hergestellt und entspiegelt werden müssen, um die geforderten optischen Eigenschaften zu erreichen. So werden durch Aufbringen von Entspiegelungsschichten, die typischerweise aus einem SiO2/TiO2-Multilagensystem bestehen, Lichtintensitätsverluste durch Spiegelung vermieden. Das Vorsehen einer weiteren Schicht auf der wirksamen Oberfläche von optischen Komponenten wird daher üblicherweise vermieden, um diese mit hoher Präzision arbeitenden Geräte nicht zu beeinträchtigen.
C. G. Granqvist beschreibt in "Window coatings for the future", Thin Solid Films, 1990, Seiten 730 - 741, zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten für Dünnschichtmaterialien wie ZnO, In2O3 und SnO2, wie sie, insbesondere für Automobile, in der Zukunft wichtig werden können. Es findet sich jedoch kein Hinweis auf eine mögliche Anwendung derartiger.Dünnschichten als Heizsysteme, zum Beispiel auf einfachen Fenstern oder gar für optische Komponenten.
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Die US 5,201,926 betrifft ein Schichtsystem, das auf KFZ-Scheiben aufgebracht wird, um Aufheizung des Fahrzeuginneren zu vermeiden, in dem durch das Schichtsystem der Infrarotanteil des Lichts weitestgehend reflektiert wird und so ein erheblicher Energieeintrag in das Fahrzeuginnere vermieden wird. Das System weist eine sehr dünne Silberschicht auf, wie sie prinzipiell auf für eine Dünnschichtheizung geeignet wäre.
Es war Aufgabe der vorliegenden Erfindung, optische Komponenten wie sie für optische Geräte zum Einsatz kommen, zur Verfügung zu stellen, die nicht beschlagen, wobei zudem das Beschlagen der Oberfläche dieser optischen Komponenten gezielt verhindert werden kann, ohne dass die optischen Eigenschaften der wirksamen Oberflächen dieser Komponenten beeinträchtigt werden. Entgegen den Erwartungen wurde überraschenderweise festgestellt, dass auf Oberflächen von optischen Komponenten eine transparente Dünnschichtheizung aufgebracht werden kann, ohne dass die hohen optischen Anforderungen, die an derartige Komponenten gestellt werden, beeinträchtigt werden.
. Die vorliegende Erfindung betrifft somit optische Komponenten, wobei auf einer Oberfläche der optischen Komponenten eine transparente Dünnschichtheizung aufgebracht ist.
Optische Komponenten im Sinne der Erfindung sind Komponenten mit optisch wirksamer Oberfläche, wie sie für optische Geräte wie Vermessungsgeräten, Fotoapparaten aber auch für Brillen zur Regulierung von Fehlsichtigkeit zum Einsatz kommen. Beispiele sind optische Gläser wie Linsen, Spiegel oder ähnliches.
Insbesondere hat sich herausgestellt, dass sich derartige Dünnschichtheizungen auch zur Beschichtung von optischen Komponenten eignen, die mit einer Entspiegelungsschicht versehen sind, ohne dass die Entspiegelung beeinträchtigt wird.
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Die erfindungsgemäß eingesetzte Dünnschichtheizung ist eine transparente leitfähige Oxidschicht bzw. Oxidschichtsystem. Hierbei können Materialien wie Zinn-Indiumoxid (ITO), ZnO-AI1 SnO2:Sb, ZnO1 In2O3, SnO2 oder ähnliche Materialien zum Einsatz kommen, unter deren Einfluss einerseits die optischen Eigenschaften erhalten bleiben und andererseits noch leitfähig genug sind, um die erforderlichen elektrischen Spannungen für eine ausreichende Heizleistung zu erbringen. In diesem Zusammenhang bedeutet ausreichende Heizleistung, dass bei unterschiedlichen Temperaturen und . Feuchte eine Betauung/Beschlagung entweder von vornherein verhindert oder das Wasser von der Oberfläche entfernt werden kann.
Die erfindungsgemäß eingesetzte Dünnschichtheizung kann ein Schichtsystem aufweisen, das aus zwei oder mehreren Schichten, die unterschiedlich sein können, zusammengesetzt ist. Als Beispiel sei ein Doppelschichtsystem wie zum Beispiel Ti/TiO2 genannt.
Das Material für die Dünnschichtheizung kann direkt über die gesamte Fläche der optischen Komponente aufgebracht werden, so dass eine gleichmäßige Beheizung auf der gesamten Oberfläche der optischen Komponente möglich ist.
Verfahren zum Aufbringen von leitfähigen Schichten sind bekannt und können auch zum Aufbringen der erfindungsgemäß eingesetzten Dünnschichtheizung verwendet werden. Bevorzugte Beispiele hierfür sind Vakuumverfahren wie das Aufdampfen oder Aufsputtem.
Erfindungsgemäß wird die Dünnschichtheizung direkt als Schicht bzw. Schichtsystem auf die optische Komponente, der Linse oder dem Spiegel etc. (die der Betauung ausgesetzt ist) aufgebracht. Die Dünnschichtheizung kann somit direkt auf die „Problemzone" aufgebracht werden und so gezielt nur den Bereich beheizen, der vor Betauung geschützt werden soll.
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Dies hat den großen Vorteil, dass der Energiebedarf auf das absolut notwendige Maß beschränkt werden kann, so dass insbesondere auch Energiequellen mit begrenzter Leistung eingesetzt werden können. Dies ist insbesondere für Außen- und/oder Langzeitanwendungen von Vorteil. Zudem kann die Leitfähigkeit dieser Schichten ohne weiteres in einen Bereich eingestellt werden, der mit elektrischen Spannungen auskommt, die üblicherweise vorhanden sind (wie zum Beispiel 12 V einer Autobatterie). Im Allgemeinen ist es ausreichend, Schichten mit einer Leitfähigkeit vorzusehen, die bei elektrischen Spannungen bis maximal 100 V eine ausreichende Heizleistung erbringen können.
Zur Versorgung mit der erforderlichen Energie ist die Dünnschichtheizung mit geeigneten entsprechenden elektrischen Anschlüssen ausgestattet, die mit einer Energiequelle wie zum Beispiel einer Batterie oder Ähnlichem verbunden sind.
Besonders gute Ergebnisse lassen sich mit Heizschichten erzielen, die möglichst homogen auf der Oberfläche der optischen Komponente aufgebracht sind. Möglichst homogen bedeutet, dass die Variation der Schichtdicke über die Gesamtfläche kleiner als 5% ist. Derart homogene Heizschichten eignen sich insbesondere für optische Komponenten mit stark gewölbten Oberflächen wie zum Beispiel Linsen mit kurzer Brennweite.
Wünschenswert ist eine möglichst homogene Beheizung der ganzen Oberfläche, die durch eine möglichst gleichmäßige Stromdichte über die Oberfläche erzielt werden kann. Hierfür können zum Beispiel sogenannte gespiittete Elektroden zum Einsatz kommen, die dafür sorgen, dass die Stromdichte über die Oberfläche möglichst gleichmäßig ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die erfindungsgemäß eingesetzte Dünnschichtheizung derart ausgestaltet, dass sie sich nur im Bedarfsfall einschaltet. Das Einschalten kann mittels eines einfachen Schalters manuell geschehen. Für eine automatische oder halbautomatische Schaltung kann ein Taupunktsensor vorgesehen sein, dessen Signal als Steuerung für die
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Heizung dient. Selbstverständlich ist auch eine Kombination aus manueller Schaltung und automatischer Steuerung möglich.
In einer weiteren Ausgestaltung kann für eine intelligente Steuerung der Dünnschichtheizung in der Schichtoberfläche eine dünner nichtleitender Steg eingebracht sein, was zum Beispiel auf einfache Weise durch Strukturierung geschehen kann. Hierbei sorgen zwei Elektroden für die Einkoppelung des Stroms. Sobald durch zunehmende Betauung der Steg überbrückt wird, erfolgt ein Steuerimpuls, der die Heizung in Gang setzt.
Je nach den klimatischen Bedingungen kann es vorteilhaft sein, die optische Komponente oder das optische System bei einer Temperatur zu halten, bei der kein Niederschlag von Feuchtigkeit auftritt. Für die klimatischen Bedingungen, wie sie in Deutschland herrschen, ist zum Beispiel eine Temperatur von 20 °C für die optische Komponente ausreichend. Für einen derartigen kontinuierlichen Betrieb ist es vorteilhaft, wenn die Heizleistung der Dünnschichtheizung möglichst gering gehalten werden kann. Dies kann geschehen, indem das Schichtsystem möglichst niederohmig gewählt wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird zwischen der Oberfläche der optischen Komponente und der Dünnschichtheizung eine Schicht aus einem transparenten wärmedämmenden Material vorgesehen, so dass nur wenig Wärme in das Innere der optischen Komponente abgeführt wird, wodurch einerseits der Energiebedarf für die Dünnschichtheizung minimiert wird, und andererseits eine Beeinflussung des optischen Systems durch Temperaturvariation verhindert wird.
Vorteilhafterweise wird der Auftrag der Dünnschichtheizung bei der Berechnung und Aufbringung der Entspiegelungssysteme, wie sie üblicherweise für optische Geräte bzw. optische Komponenten verwendet werden bzw. beim Schichtdesign derartiger entspiegelter Systeme oder Filter, berücksichtigt, wodurch zudem eine mögliche Beeinträchtigung der optischen Eigenschaften der entsprechenden
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Komponente vermieden werden kann und deren einwandfreies Funktionieren sichergestellt ist.
In diesem Fall bildet die Dünnschichtheizung einen Bestandteil des optischen Schichtsystems und es können sowohl über als auch unter der leitfähigen Oxidschicht weitere optische Schichten vorgesehen sein.
Die vorliegende Erfindung umfasst jede Art von optischer Komponente, die durch Aufbringen einer Dünnschichtheizung vor Betauung/Beschlagung mit Wasser geschützt wird. Derartige optische Komponenten weisen optisch wirksame Oberflächen auf, an die hohe Präzisionsanforderungen gestellt werden, wobei das als Dünnschicht aufzubringende Heizungssystem die optischen Eigenschaften dieser Komponenten nicht beeinträchtigen darf.
Weiter betrifft die Erfindung optische Geräte, die mit derartigen optischen Komponenten ausgestattet sind.

Claims (18)

1. Optische Komponente, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Komponente eine transparente Dünnschichtheizung aufweist.
2. Optische Komponente, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Komponente ausgewählt ist unter einem optischen Glas oder einem Spiegel.
3. Optische Komponente nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Glas eine Linse beziehungsweise ein Linsensystem ist.
4. Optische Komponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Komponente ein Schichtsystem aufweist.
5. Optische Komponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dünnschichtheizung eine dünne Schicht aus einem transparenten leitfähigen Oxid ist.
6. Optische Komponente nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die dünne Schicht aus einem transparenten leitfähigen Oxid eine Zinn- Indiumoxid-Schicht, eine ZnO : Al-Schicht, eine SnO2 : Sb-Schicht, eine ZnO-Schicht, eine In2O3-Schicht oder eine SnO2-Schicht ist.
7. Optische Komponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dünnschichtheizung aus einem Schichtsystem mit zwei oder mehreren Schichten aufgebaut ist.
8. Optische Komponente nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtsystem ein Ti-/TiO-Schichtsystem ist.
9. Optische Komponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dünnschichtheizung mit einem Taupunktsensor zur Steuerung versehen ist.
10. Optische Komponente nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Dünnschichtheizung kontinuierlich bei einer festgelegten Temperatur betrieben wird.
11. Optische Komponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dünnschichtheizung Bestandteil des optischen Schichtsystems ist.
12. Optische Komponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Dünnschichtheizung und der Oberfläche der optischen Komponente eine wärmedämmende transparente Schicht vorgesehen ist.
13. Optische Komponente nach einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dünnschichtheizung in ein Entspiegelungssystem eingebaut ist.
14. Optische Komponente nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung mit der Dünnschichtheizung bei der Berechnung und Aufbringung des Entspiegelungssystems berücksichtigt ist.
15. Optische Komponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für einen elektrischen Anschluss gesplittete Elektroden vorgesehen sind.
16. Optische Komponente nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass in der Dünnschichtheizung ein nichtleitender dünner Steg vorgesehen ist.
17. Optisches Gerät, dadurch gekennzeichnet, dass es eine optische Komponente nach einem der Ansprüche 1 bis 16 enthält, wobei auf mindestens einer Oberfläche der optischen Komponente eine transparente Dünnschichtheizung aufgebracht ist.
18. Optisches Gerät nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Gerät ein Vermessungsgerät ist.
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