Die verschiedenen Qualitätsstufen der Entspiegelungen sorgen für reflexfreies Sehen und Gesehen werden. Ein wichtiger Faktor bei AR®-Schicht "Schau mir in die Augen, Kleines" oder wieso AR®-Schichten so wichtig für einen Brillenträger sind.
Jeder Mensch nimmt zu anderen zuerst Kontakt über die Augen auf. Deshalb ist es wichtig, dass die Augen deutlich gesehen werden. Ein Brillenglas mit einer Entspiegelung ist viel klarer als eines ohne: Die Augen des Brillenträgers können mit einer Super-AR® annähernd so deutlich gesehen werden als würde er keine Brille tragen. In unentspiegelten Brillengläsern zeigen sich viele spiegelnde Blendquellen und Abbildungen der Umgebung, die die Sicht in die Augen einschränken und die Aufmerksamkeit von den Augen ablenken. Der gleiche Effekt zeigt sich nicht nur auf der Vorderseite des Glases (für den Betrachter), sondern auch der Brillenträger selbst sieht wie in einem Spiegel die Blendquellen und die eigenen Augen abgebildet. Auch wenn durch reflexionsmindernde Schichten keine messbare Steigerung der Sehschärfe erzielt wird, sorgt die Minderung von unerwünschten Reflexionen für eine Kontrasterhöhung für den Brillenträger.
Abb. 12*: Wirkung einer Reflexionsminderung im Straßenverkehr
* Quelle: sola
Gerade im Straßenverkehr (Abb. 12) ist blendfreies Sehen eine Frage der Sicherheit.
Tatsächlich sind wir die meiste Zeit von Blendquellen umgeben – nicht nur im Straßenverkehr. Viele Firmen, Schulen, öffentliche Einrichtungen werden mit künstlichen Lichtquellen beleuchtet. Auch zu Hause verbringt man einen großen Teil der Zeit bei künstlicher Beleuchtung.
Die unerwünschten Reflexe treten immer und überall auf: beim Autofahren, beim Lesen (Abb. 13), beim Arbeiten am PC, beim Fernsehen, ...
Abb. 13: Wirkung einer Reflexionsminderung beim Lesen
Warum sollten wir auf so viel mehr Sehqualität verzichten?
Eine gut ausgewählte, typgerechte Fassung mit hochwertigen superentspiegelten Brillengläsern sieht nicht nur gut aus, sondern ermöglicht optimales Sehen.
Was sind AR®-Schichten ?
Die AR®-Schicht (AR® = anti reflection), auch als Entspiegelung bezeichnet, ist eine interferierende Schicht. Die Schichtdicke von Entspiegelungen ist sehr gering, für Mehrfachschichtsysteme liegt sie bei ca. 250nm. Deshalb werden diese Schichten in der Optik als dünne Schichten bezeichnet. Nur an dünnen Schichten ist das Phänomen der farbigen Interferenz zu beobachten. Interferenz ist die Überlagerung zweier oder mehrerer kohärenter (kohärent: zeitlich und räumlich koordiniert) Lichtwellenzüge.
Auch in der Natur lassen sich einige Interferenzeffekte an dünnen Schichten beobachten. Sie sind Ursache für das Schillern von Perlen, Fischschuppen, Schmetterlingsflügeln, Seifenblasen, Ölfilmen auf Wasser, Pfauenfedern usw.
Für reflexionsmindernde Schichten wird der optische Effekt der Interferenz so angewendet, dass sich Wellenzüge des Tageslichtes zu bestimmten Teilen auslöschen.
Reflexionsmindernde Schichten schränken die Reflexion in einem bestimmten Wellenlängenbereich ein (Abb. 14).
Abb. 14: Schematische Darstellung der Reflexionsminderung an einem Brillenglas
In der Praxis kann es diese Art von Reflexionsminderung nicht geben, da das Entspiegelungssystem aus zu vielen einzelnen Schichten bestehen müsste, um den Wellenlängenbereich von 380 bis 780nm abzudecken.
Wie sind AR® - Schichten aufgebaut?
Reflexionsmindernde Schichten können aus einer Einfachschicht oder aus Mehrfachschichten bestehen. Entspiegelte Kunststoffgläser bestehen immer aus Mehrfachschichten – auch die so genannte „Einfachentspiegelung“. Durch die Temperaturempfindlichkeit von Kunststoffen ist der Aufdampfprozess nicht für Materialien geeignet, die nur bei hohen Temperaturen ihre Wirkung erzielen. Deshalb müssen entsprechende Aufdampfmaterialien verwendet werden, die in bestimmter Kombination so wirken wie das eine Material für das Beschichten von Glas.
Stratemeyer nennt die „Einfachentspiegelung“, die aus 3 Schichten besteht, Q-AR®. Das Q steht für Quarz. Quarz ist neben den beiden anderen Materialien der Hauptbestandteil dieser reflexionsmindernden Schicht. Sie ist ca. 150nm dick.
Abb. 15: Schematische Darstellung der Q-AR®
In Abb. 15 ist der Reflexionsgrad der Q-AR® dargestellt. Diese Entspiegelung weist ein Reflexionsminimum auf.
Bei Mehrfach- und Superentspiegelungen kann man durch Erhöhung der Schichtanzahl und Variation der einzelnen Schichtdicken im Schichtsystem mehrere Minima erzielen. Zudem kann mit diesem Verlauf der Reflexionskurve ein breitbandiger Spektralbereich abgedeckt werden. Nach der Form der Kurve wird diese W-Entspiegelung (Abb. 16) genannt. Die Lux-AR® ist ca. 250 nm dick. Der Reflexionsgrad wird im Vergleich zur Q-AR® reduziert.
Abb. 16: Schematische Darstellung der Lux-AR®
Inzwischen spielen bei beschichteten Brillengläsern die Farben der Reflexe auf dem Glas eine zunehmend große Rolle. Es wird versucht, Kompromisse zu finden, die einerseits die gewünschte Reflexfarbe liefern und andererseits die Reflexion genügend mindern.
Wie kommen die AR®-Schichten auf das Kunststoffglas?
Reflexionsmindernde Schichten werden im Hochvakuum hergestellt. Dabei wird festes Material durch Energie und Temperatur in gasförmigen Zustand gebracht, welches sich dann auf den Gläsern niederschlägt. Nur im Vakuum können durch Beeinflussung des Druckes reproduzierbare Schichten hoher Qualität hergestellt werden.
Im ersten Schritt werden die zu beschichtenden Gläser gereinigt, eingespannt und auf rotierende Halterungen in die Beschichtungsmaschine gehängt. Nach dem Schließen der Anlage wird das Vakuum erzeugt. Wenn die Gaspartikel, die in der Atmosphäre vorhanden sind, aus dem Hochvakuumbehälter gepumpt sind, wird das feste Beschichtungsmaterial erhitzt und dabei in den gasförmigen Zustand umgewandelt. Das gasförmige Material gelangt durch das Vakuum geradlinig vom Verdampfer zu den Gläsern, ohne dass die Zusammenstöße mit Restgasmolekülen Einfluss haben. Beim Auftreffen der verdampften Atome des Beschichtungsmaterials lagern sie sich als Schichtgitter auf das Glas. Die Schichtdicke wird während der Beschichtung gemessen. Der Prozess wird bei der erreichten Schichtdicke abgebrochen. Die nötigen Dicken der einzelnen Schichten eines Schichtsystems werden berechnet und auf die verschiedenen Beschichtungsanlagen übertragen.
Bei Mehrfachschichtsystemen werden unterschiedliche Materialien nacheinander aufgebracht. Der Reflexionsgrad eines beschichteten Glases wird mit einem Spektralphotometer gemessen. Dabei wird ein Gemisch aus Strahlung verschiedener Wellenlängen zerlegt, d.h., die einzelnen Komponenten werden räumlich getrennt und ergeben zusammen das Spektrum der Strahlung. Es entstehen 512 Messpunkte in dem Bereich von 400 bis 700nm, die man mit Hilfe eines PCs zu einer Reflexionskurve abbilden und speichern kann. Auf diese Weise wird die Produktion von AR®-Schichten überwacht und gegebenenfalls modifiziert.
Der Aufdampfprozess hat viele Parameter, die konstant gehalten werden müssen, um wiederholend gute Qualität zu erzeugen. Einige Beispiele von variierenden Parametern sind die Qualität des Beschichtungsmaterials, welches geliefert wird, die Genauigkeit des Schichtdickenmesssystems, die Abdichtungen des Vakuumbehälters, die altern, undicht werden und somit den Druck beeinflussen, die Vakuumpumpzeiten, Stellung des Beschichtungsmaterials zum Verdampfer, die bei wenigen Millimetern Verschiebung eine andere Schichtdicke liefert und natürlich die Bediener dieser Anlagen.
Warum haben die AR®-Schichten verschiedene Restreflexfarben?
Bei der Reflexionsminderung durch AR®-Schichten entstehen Interferenzfarben oder umgangssprachlich Restreflexfarben. Sie entstehen dadurch, dass die Minderung von Reflexen wellenlängenabhängig ist. Der verbleibende Reflex eines reflexionsgeminderten Glases zeigt bei der Reflexion weißen Lichtes eine bestimmte Farbe.
Abb. 17: Verschiedene Restreflexfarben verschiedener AR®s der Firma Stratemeyer
Licht verschiedener Wellenlängen löst unterschiedliche Farbwahrnehmungen aus – kurzwelliges Licht erscheint blau-violett, mittelwelliges Licht erscheint grün bis gelb und langwelliges Licht erscheint orange bis rot (Abb. 18).
UV IR 400nm 450nm 500nm 550nm 600nm 650nm 700nm
Abb. 18: Farbspektrum
Die Restreflexfarben lassen sich am verständlichsten mit den verschiedenen Einfachschichten erklären. Bei einer Einfachschicht ergibt sich der typische V-förmige Verlauf des spektralen Reflexionsgrades.
Liegt das Minimum des Reflexionsgrades bei 550nm, muss bei annähernd senkrechtem Einfall weißen Lichtes die beschichtete Fläche einen purpur bis blau-violetten Farbton zeigen (Abb. 19 A). Sehen die Schichten gelb bzw. goldfarben aus, so wie bei unserer Gold- AR®, liegt das Reflexionsminimum im Bereich der kürzeren Wellenlängen (Abb. 19 B). Sind sie blau, liegt es im Bereich längerer Wellenlängen (Abb. 19 C). Blaue Schichten haben eine schlechtere reflexionsmindernde Wirkung, da die Reflexion in Richtung kurzer Wellenlängen wesentlich stärker ansteigt als in Richtung langer Wellenlängen.
Abb. 19: Schematische Darstellung des Reflexionsgrades an Einfachschichten
Abb. 20: Schematische Darstellung des Reflexionsgrades an einer Mehrfachschicht
In Abb. 20 ist eine Superentspiegelung, also ein Vielschichtsystem, dargestellt. Der spektrale Reflexionsgrad ergibt einen typischen W-förmigen Verlauf. Diese Entspiegelung hat die beliebte grüne Restreflexfarbe. Dazu wird bei einer Wellenlänge von etwa 550nm ein relatives Maximum eingestellt. Es reicht eine kleine Erhebung aus, da die spektrale Empfindlichkeit des menschlichen Auges beim Tagessehen in diesem Bereich am höchsten ist. Für den Anstieg der Kurve im roten und blauen Bereich ist das Auge nicht so empfindlich (Abb. 21).
Abb. 21: V(λ): Spektrale Empfindlichkeit des menschlichen Auges beim Tagessehen
Warum sind die AR®-Schichten der Firma Stratemeyer so gut?
Die optischen Anforderungen an eine reflexionsmindernde Vergütungsschicht auf Brillengläsern werden in DIN EN ISO 8980-4 und ergänzend in DIN EN ISO 13666 beschrieben. Diese Normen machen keine Aussagen zur Farbe des Restreflexes und enthalten keine Anforderungen an die Widerstandsfähigkeit reflexionsmindernder Schichten.
Zur Beschreibung einer reflexionsmindernden Schicht einer Fläche werden zwei Größen verwendet:
1. Der prozentuale Lichtreflexionsgrad pv
Der Lichtreflexionsgrad gibt das prozentuale Verhältnis des Lichtstroms, der an einer Glasoberfläche reflektiert wird, zum einfallenden Lichtstrom an. Dabei wird durch die Gewichtungsfunktion V(λ) der Bereich um 550nm deutlich stärker gewichtet als die Randbereiche des Spektrums.
Von reflexionsmindernden Schichten kann gesprochen werden, wenn die Bedingung
prozentualer Lichtreflexionsgrad: pv < 2,5%
erfüllt ist.
Im Folgenden werden die prozentualen Reflexionsgrade der reflexionsmindernden Schichten auf Kunststoffgläsern der Firma Stratemeyer auf die vorgegebene Bedingung überprüft und miteinander verglichen.
unbeschichtet - pv = 4,32%
Q- AR® - pv = 1,96%
Gold- AR® - pv = 1,46%
Dia- AR® - pv = 0,85%
Lux- AR® - pv = 0,69%
Alle reflexionsmindernden Schichten der Firma Stratemeyer erfüllen selbstverständlich die angegebenen Bedingungen.
Im Vergleich zu einem unbeschichteten Substrat beträgt die relative Minderung störender Reflexe bei der Q- AR® 50%, bei der Gold- AR® 67%, bei der Dia-AR® 81% und bei der Lux- AR® sogar 84%.
2. Der prozentuale mittlere Reflexionsgrad pM
Der mittlere Reflexionsgrad liefert eine zusätzliche Information zur Größe pv. Dieser gibt den ungewichteten Mittelwert des Reflexionsgrades an, um auch den Anstieg des Reflexionsgrades an den Rändern des visuellen Spektrums zu berücksichtigen.
Für den mittleren Reflexionsgrad sind keine zu erfüllenden Bedingungen genannt.
Für die oben aufgeführten reflexionsmindernden Schichten ergibt der prozentuale mittlere Reflexionsgrad pM:
unbeschichtet - pM = 4,32%
Q- AR® - pM = 3,04%
Gold- AR® - pM = 1,94%
Dia- AR® - pM = 1,63%
Lux- AR® - pM = 0,75%
Aus den berechneten mittleren Reflexionsgraden lässt sich wie auch bei dem prozentualen Lichtreflexionsgrad eine zunehmende Einschränkung unerwünschter Restreflexe erkennen.
Die reflexionsmindernden Schichten der Firma Stratemeyer sind so gut, da sie:
die DIN EN ISO 8980-4 und DIN EN ISO 13666 erfüllen
in Bezug auf die Haftfestigkeit und Abriebbeständigkeit optimal eingestellt sind
die von den Augenoptikern gewünschte Reflexionsminderung und Restreflexfarbe besitzen
aufgrund der eigenen Entwicklungsabteilung im Hause nach optischen und modischen Tendenzen ständig optimiert werden
Literatur:
Blendowske, Ralf; Diepes, Heinz: Optik und Technik der Brille, Heidelberg: Optische Fachveröffentlichung GmbH 2002, ISBN: 3-922269-34-6
JOT 1 (Journal für Oberflächentechnik) Jahresband 1995, Wiesbaden: Verlag Vieweg 1996
Sonnenberg, Frank: Das ist die Härte, erschienen in OPTIC + VISION 5/6 2001 Mainz: Vereinigte Fachverlage GmbH 2001 S. 34f.
Tönnies, Sandra: Grundlegende Untersuchungen zum computerunterstützten Design reflexionsmindernder Schichten, Diplomarbeit FH Aalen, Studiengang Augenoptik 09/2001
AR® ist eine eingetragene Marke der Eugen Stratemeyer GmbH & Co. KG
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