DE3720451A1 - Schlagfeste und gehaertete optische elemente - Google Patents
Schlagfeste und gehaertete optische elementeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft allgemein optische Elemente und bezieht
sich im besonderen auf das Härten optischer Elemente und ihren
Schutz gegen aufprallende Teilchen.
Bekanntlich besitzen bilderzeugende optische Systeme im allgemeinen
extern montierte optische Elemente, die die übrigen
Teile des bilderzeugenden Systems gegen die Umwelt abschirmen.
Bei bilderzeugenden Systemen beispielsweise, die im Infrarotbereich
arbeiten und für Luftfahrzeuge bestimmt sind, ist ein
für Infrarotstrahlung transparentes optisches Element, zum
Beispiel ein Fenster oder eine Kuppel, auf dem System montiert,
um die übrigen Teile gegen Feuchtigkeit, Korrosion und Abrieb
durch Umwelteinflüsse zu schützen. Wenn das System längere
Zeit derartigen Umwelteinflüssen ausgesetzt ist, verschlechtern
sich die optischen und physikalischen Eigenschaften des
Werkstoffs des optischen Elements. Den schwierigsten Umweltbedingungen
sind diese externen Element wohl dann ausgesetzt,
wenn Wassertropfen mit hoher Geschwindigkeit aufprallen. Dies
ist dann der Fall, wenn ein Bordsystem durch ein Regenfeld
fliegt.
Dieses Problem des Aufpralls von Wassertropfen wird in der
einschlägigen Fachwelt im allgemeinen als Regen-Erosion
bezeichnet. Während des Flugs durch ein Regenfeld schlagen
Wassertropfen auf die Oberfläche des externen Elements auf
und erzeugen selbst bei Unterschallgeschwindigkeiten Risse
und Brüche, die unter der Oberfläche liegen. Bei sehr brüchigen
Materialien nehmen diese Brüche ihren Ausgang von vorher
vorhandenen Mikrorissen, die in der Nähe der Oberfläche des
optischen Elements liegen. Schäden durch Regen-Erosion treten
bei derartigen optischen Elementen auf, bevor ein signifikanter
Materialabtrag aufgetreten ist. Die bloße Ausbreitung
dieser zuvor vorhandenen Mikrorisse reicht aus, das optische
Element zu schädigen. Im einzelnen breiten sich diese
Mikrorisse durch das optische Element infolge der Spannungskomponenten
der Oberflächen-Spannungswelle aus, die bei dem
Aufprall der Wassertropfen erzeugt wird. Nachdem diese unter
der Oberfläche befindlichen Brüche und Risse einmal ausgebildet
sind, bewirkt ihre fortgesetzte Ausbreitung durch das optische
Element häufig große Risse in diesem. Im Bereich des Risses
erfährt die einfallende Infrarot-Strahlung eine Streuung und
Brechung, wodurch größere innere Reflektionen und Verluste an
Infrarot-Strahlung erzeugt werden. Sobald eine signifikante
Anzahl derartiger Risse vorhanden ist, ist die Durchlässigkeit
des optischen Elements stark reduziert. Da die Risse sich
durch das optische Element ausbreiten, kann außerdem ein
völliger Ausfall auftreten. Wenn das optische Element zersplittert
oder zerbricht, sind die übrigen Teile des bilderzeugenden
Infrarot-Systems direkt den Umweltbedingungen ausgesetzt,
was zu einer völligen Zerstörung des Systems führen
kann.
Die Materialien, die die beste mechanische Haltbarkeit und die
beste optische Leistung für bilderzeugende Infrarot-Systeme,
insbesondere im Infrarotband von 8 µm bis 12 µm bieten, sind
auf eine kleine Anzahl beschränkt. Geeignete Materialien sind
zum Beispiel Zinksulfid, Zinkselenid, Germanium, Galliumarsenid,
Galliumphosphid, Quecksilber-Kadmium-Tellurid und Kadmium-
Tellurid. Auch ternäre Sulfid-Materialien, zum Beispiel Kalzium-
Lanthan-Sulfid werden derzeit für Infrarot-Anwendungen entwickelt,
insbesondere für den Wellenlängenbereich von 8 µm bis
12 µm. Diese ternären Sulfid-Materialien bringen einige Verbesserungen
bezüglich der Haltbarkeit, sind jedoch gegen die
oben erwähnten Umwelteinflüsse ebenfalls sehr empfindlich. Im
allgemeinen sind sämtliche vorgenannten Materialien vergleichsweise
brüchig und relativ wenig widerstandsfähig gegen Beschädigung,
insbesondere gegen Beschädigung durch mit hoher
Geschwindigkeit aufprallende Wassertropfen.
Es ist auch bekannt, daß die auf die Oberfläche eines optischen
Elements auffallende optische Strahlung nur teilweise reflektiert
wird, wenn der Brechungsindex des Materials, aus dem das
optische Element besteht, von dem Brechungsindex des Mediums,
aus dem die Strahlung stammt, erheblich abweicht. Für Bordsysteme
von Luftfahrzeugen ist das Ursprungsmedium im allgemeinen
Luft mit einem Brechungsindex von etwa Eins. Es ist deshalb
in der optischen Industrie übliche Praxis, über der
Außenfläche des optischen Elements einen Überzug aus einem
Material anzubringen, das einen geeigneten Brechungsindex hat,
und dadurch die Reflektionsverluste zu verkleinern. Mit den
aufgebrachten Dicken, die im allgemeinen einen Bruchteil der
optischen Wellenlänge betragen, sind diese Überzüge im Infrarot-
Bereich durchlässig. Bisher dienen solche optischen Überzüge
jedoch lediglich zur Verringerung der Reflektionsverluste,
die durch das Mißverhältnis der Brechungsindizes verursacht
werden. Sie wurden hingegen noch nicht dazu benutzt, die
Schlagfestigkeit des optischen Elements zu vergrößern.
Es ist bekannt, daß eine auf Germanium aufgebrachte Schicht
aus Hartkohle, d. h. eine Kunststoffschicht, die diamantähnliche
Bindungen hat und im wesentlichen optisch durchlässig
ist, das aus Germanium bestehende optische Element in gewissem
Umfang gegen die durch Regen-Erosion verursachten Schäden
schützt. Hartkohlen-Beschichtungen auf Germanium sind beschrieben
in der Literaturstelle "Liquid Impact Erosion Mechanismus
In Transparent Materials" von J. E. Fields et al, Final Report
September 30, 1982 to March 31, 1983, Contract No. AFOSR-
78-3705-D, Report No. AFWAL-TR-8304101. Die Hartkohlen-Oberflächen
haften nicht gut an anderen für Infrarotanwendungen
geeigneten Materialien, wie zum Beispiel Zinksulfid und Zinkselenid.
Selbst Hartkohle-Beschichtungen auf Germanium, wie
sie in der erwähnten Literaturstelle beschrieben sind, können
sich lösen, wenn Wassertropfen mit hoher Geschwindigkeit aufprallen.
Es wurde theoretisch festgestellt, daß die Scherkraft,
die aus dem radialen Abfluß des Tropfen-Aufpralls resultiert,
das Lösen der Beschichtung von der Germaniumschicht
verursacht. Man nimmt an, daß diese Ablösungserscheinung
signifikant anwächst, wenn die Dicke der Hartkohle-Schicht
größer wird. Deshalb waren dickere Hartkohle-Beschichtungen,
die einen weitergehenden Aufprallschutz für das optische Element
ergeben hätten, wegen des vorerwähnten Ablösungsproblems nicht
erfolgreich. Ein weiteres Problem mit Hartkohle-Schichten besteht
darin, daß der Brechungsindex von Hartkohle etwa 2,45
beträgt und damit wesentlich höher ist als der Brechungsindex
vieler der oben erwähnten optischen Materialien, wie zum Beispiel
Zinksulfid und Zinkselenid. Daraus ergibt sich, daß die
Reflektionsverluste auf der Einstrahlungsfläche des mit einer
Hartkohle-Schicht versehenen optischen Elements größer sind
als bei fehlender Beschichtung.
Ein drittes Problem betrifft die Bruchfestigkeit dieser Materialien.
Die meisten Materialien, die sich als für Infrarot-
Strahlung
transparente Fenster, insbesondere im Wellenbereich
von 8 µm bis 12 µm eignen, haben niedrige Bruchfestigkeiten.
Dies ist besonders wichtig bei Anwendungsfällen, in denen die
Elemente einen Bereich hohen Drucks von einem Bereich niedrigen
Drucks trennen, d. h. bei Anwendungen, bei denen das Element
unter nicht vernachlässigbaren statischen oder dynamischen
mechanischen Belastungen steht. In der Literaturstelle "Impact
Damage Threshold in Brittle Materials Impacted By Water Drops"
von A. G. Evans et al, Journal of Applied Physics 51 (5), pps.
2473-2482 (Mai 1980) at page 4281 wurde theoretisch festgestellt,
daß Martensit-Anlassen (Phasenänderungen) an der
Oberfläche des brüchigen Materials bei dem Härte derartiger
brüchiger Materialien von Nutzen sein kann. Es wurde auch
theoretisch festgestellt, daß Oberflächen-Kompressionsbeanspruchungen
günstige Auswirkung haben können. Die Autoren
geben jedoch keine spezielle Beschreibung dessen, was sie unter
"Oberflächenkompression" verstehen. Diese brüchigen Materialien
erfahren Oberflächenkompression, wenn ankommende Wassertropfen
auf die Oberfläche des Materials aufprallen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorangehend
geschilderten Nachteile zu beseitigen, d. h. ein optisches
Element zu schaffen, das große Widerstandsfähigkeit gegen die
insbesondere bei der Verwendung an Bord von Luftfahrzeugen auftretenden
Beanspruchungen und Belastungen, insbesondere gegen
mit hoher Geschwindigkeit erfolgenden Tropfenaufprall, aufweist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein optisches Element mit den
Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Das erfindungsgemäße optische Element besitzt eine Basisschicht
aus einem ersten Material mit einem ersten vorbestimmten Elastizitätsmodul
und eine Beschichtung aus einem zweiten Material
mit einem zweiten, höheren Elastizitätsmodul. Die Beschichtung
haftet auf dem Material des optischen Elements und besitzt
große Widerstandsfähigkeit gegen Ablösen durch Scherbeanspruchungen,
die auftreten, wenn Wassertropfen mit hoher Geschwindigkeit
aufprallen.
Die Beschichtung mit hohem Elastizitätsmodul besteht vorzugsweise
aus einem Material, dessen Brechungsindex kleiner ist als
der Brechungsindex des Materials, aus dem das optische Element
selbst besteht.
Das Material ist vorzugsweise für Infrarotstrahlung im wesentlichen
durchlässig. Es ist außerdem im wesentlichen wasserunlöslich.
Bei einer derartigen Anordnung schützt die Beschichtung
aus dem zweiten Material mit höherem Elastizitätsmodul die Basis,
die aus dem Material mit niedrigerem Elastizitätsmodul besteht,
gegen Aufprallschäden, insbesondere gegen solche Schäden, die
durch mit hoher Geschwindigkeit aufprallende Wassertropfen
verursacht werden. Außerdem ist das Beschichtungsmaterial sehr
widerstandsfähig gegen das Ablösen durch Scherkräfte und bleibt
deshalb auf dem optischen Element auch dann unversehrt, wenn
Wassertropfen mit hoher Geschwindigkeit aufprallen, so daß das
optische Element gegen Umwelteinflüsse, zum Beispiel gegen
Regen-Erosion geschützt wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfaßt die Beschichtung
eine Verbundschicht aus einer Mischung von vorzugsweise
homogenen Mischungen eines ersten und eines zweiten Materials,
deren Elastizitätsmodul wenigstens zweimal so groß ist wie derjenige
des die Basisschicht bildenden Materials. Das zweite
Material besitzt einen wesentlich größeren Elastizitätsmodul
als das erste Material, wo hingegen das erste Material gegen
Wasser unlöslich und inert ist und das zweite Material mit
Wasser reagiert. Bei dieser Anordnung bildet die Verbundschicht
über dem optischen Element einen Überzug, der einen höheren
Elastizitätsmodul hat als nur eine einzige Schicht aus dem
ersten Material. Die Verbundschicht besitzt jedoch auch relativ
niedrige Wasserlöslichkeit und Wasser-Reaktivität, insbesondere
wenn eine Schicht des ersten Materials vorgesehen ist,
die die Mischung gegen Wasserquellen schützt.
Eine andere Weiterbildung der Erfindung, die in Anspruch 10
beschrieben ist, liefert eine schlagfeste Antireflex-Beschichtung
für optische Elemente, die im Wellenlängenbereich von
8 µm bis 12 µm arbeiten, wobei diese Beschichtung die Elemente
wirksam gegen Beschädigung durch Regen-Erosion oder Aufprall
von Wassertropfen mit großer Geschwindigkeit schützt.
Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung wird ein optisch
transparentes Element, das aus einem ersten für Infrarotstrahlung
durchlässigen Material mit einem ersten Elastizitätsmodul
besteht, gegen Wassertropfen-Aufprall geschützt durch eine Verbundschicht,
die eine erste Schicht umfaßt, die aus einem zweiten,
optischen transparenten Material besteht, das einen zweiten
Elastizitätsmodul hat, der wesentlich größer ist als der Elastizitätsmodul
des Materials des optischen Elements, und einem
Brechungsindex, der kleiner ist als der Brechungsindex des Materials
des optischen Elements. Das Material der ersten Schicht
besitzt große Widerstandsfähigkeit gegen das Ablösen von dem
Material des optischen Elements durch Scherbeanspruchungen, die
aus dem radialen Abfließen von mit großer Geschwindigkeit aufprallenden
Wassertropfen resultieren. Eine zweite Schicht der
Verbundschicht besteht aus einem dritten Material, das einen
dritten relativ hohen Elastizitätsmodul hat, der größer ist als
der Elastizitätsmodul des Materials des optischen Elements und
vorzugsweise auch höher als derjenige des zweiten Materials der
ersten Schicht. Das die zweite Schicht bildende dritte Material
ist im wesentlichen für Infrarot-Strahlung transparent und besitzt
einen Brechungsindex, der größer ist als derjenige des
zweiten Materials der ersten Schicht. Das die zweite Schicht
bildende dritte Material ist außerdem sehr widerstandsfähig
gegen das Ablösen von dem zweiten Material der ersten Schicht
der zusammengesetzten Beschichtung, kann jedoch eine relativ
niedrige Widerstandsfähigkeit gegen das Ablösen von dem ersten
Material des optischen Elements haben. Durch das Zwischenfügen
der ersten Schicht aus einem Material, das große Widerstandsfähigkeit
besitzt gegen das Ablösen von dem Material des optischen
Elements durch radiales Abfließen und außerdem sehr
widerstandsfähig ist gegen das Ablösen des dritten Materials
der zweiten Schicht durch radiales Abfließen wird eine Verbund-
Beschichtung erzeugt, die insgesamt große Widerstandsfähigkeit
gegen ein durch radiales Abfließen verursachtes Ablösen besitzt
und außerdem einen Elastizitätsmodul aufweist, der größer ist
als derjenige des ersten Materials. Die Verbund-Beschichtung
erlaubt es, die effektive physikalische Dicke der Schutzbeschichtung
zu vergrößern, so daß der Schutz entsprechend vergrößert
wird, wobei die optischen Eigenschaften der Kombination
aus optischem Element und Verbund-Beschichtung erhalten oder
sogar verbessert werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist das erste Material
des optischen Elements aus der Gruppe ausgewählt, die aus
Silicium, Germanium, Galliumarsenid, Galliumphosphid, Quecksilber-
Kadmium-Tellurid, Kadmium-Tellurid, Zinksulfid und Zinkselenid
oder einem ternären Sulfid besteht. Es ist vorzugsweise
aus der Gruppe ausgewählt, die aus Kadmium-Tellurid, Zinksulfid
und Zinkselenid besteht. Das zweite Material der ersten Schicht
ist aus der Gruppe ausgewählt, die aus Yttriumoxyd, Scandiumoxyd
oder Mischungen von Yttriumoxyd oder Scandiumoxyd mit
Magnesiumoxyd besteht. Das dritte Material der zweiten Schicht
ist aus der Gruppe ausgewählt, die aus Ceriumoxyd, Titanoxyd,
Zirkoniumoxyd oder Hartkohle besteht. Durch das Zwischenfügen
des die erste Schicht bildenden Materials, das sehr gut sowohl
an dem ersten Material des optischen Elements als auch in dem
dritten Material der zweiten Schicht, insbesondere der Hartkohle-
Schicht, haftet, sind die Haftungsprobleme beseitigt,
denen man normalerweise begegnet, wenn Hartkohle mit den
meisten optischen Materialien für den Wellenlängenbereich von
8 µm bis 12 µm verbunden werden sollen. Da außerdem Materialien
wie Hartkohle nicht den geeigneten Brechungsindex für Antireflex-
Materialien wie Zinksulfid, Zinkselenid oder Cadmium-
Tellurid haben, kann die Hartkohle-Schicht in Kombination mit
dem niedrigeren Brechungsindex der ersten Schicht verwendet
werden, um einen effektiv niedrigeren Brechungsindex für die
zusammengesetzte Beschichtung zu erzielen.
Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung wird ein optisches
Element durch eine Verbundschicht geschützt, die aus
einer Mehrzahl von Lagen besteht, wobei Lagen aus einem Material
mit niedrigem Brechungsindex und hohem Elastizitätsmodul mit
Schichten aus einem Material mit hohem Brechungsindex und
hohem Elastizitätsmodul einander abwechseln und gemeinsam eine
Mehrlagen-Beschichtung bilden, die Antireflexwirkung zeigt und
Schutz gegen Aufprallschäden bietet. Diese Beschichtung kann so
ausgebildet sein, daß sie breitbandige Antireflex-Eigenschaften
oder andere optische Funktionen, wie Filterung ermöglicht, wobei
außerdem der Vorteil gegeben ist, daß die gesamte physikalische
Dicke des Mehrschicht-Überzugs groß sein kann und somit
verbesserte Schlagfestigkeit gewährleistet. Das Material mit
niedrigem Brechungsindex und hohem Elastizitätsmodul ist vorzugsweise
aus der Gruppe ausgewählt, die aus Yttriumoxyd,
Scandiumoxyd oder Mischungen von Yttriumoxyd oder Scandiumoxyd
mit Magnesiumoxyd besteht, während das Material mit hohem
Brechungsindex und hohem Elastizitätsmodul aus der Gruppe ausgewählt
ist, die aus Ceriumoxyd, Titanoxyd, Zirkoniumoxyd oder
Hartkohle besteht. Das Material des optischen Elements ist aus
der Gruppe ausgewählt, die aus Silicium, Germanium, Galliumarsenid,
Galliumphosphid, Kadmium-Tellurid, Quecksilber-Kadmium-
Tellurid, Zinksulfid und Zinkselenid oder einem ternären Sulfid
besteht.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung umfaßt das schlagfeste,
gehärtete optische Element eine Basisschicht aus einem
optischen Material mit einer vorgegebenen ursprünglichen Bruchfestigkeit.
Über der Basisschicht aus optischem Material ist
eine Beschichtung angeordnet, die aus einer komprimierten
Materialschicht besteht. Diese komprimierte Materialschicht
besitzt eine Gesamtdicke, die wesentlich kleiner ist als die
Dicke der Basis. Bei einer solchen Anordnung verringert die
komprimierte Materialschicht die schädlichen Wirkungen der
Spannungswellenkomponenten, die während des Tropfenaufpralls
an den Oberflächen-Mikrorissen auftritt, und verhindert ihre
Ausbreitung durch die Oberfläche des optischen Elements. Die
Ausbreitung durch die Oberfläche des optischen Elements. Die
komprimierten Bereiche tendieren dazu, diese Mikrorisse zu verschließen
und verhindern damit ihre Ausbreitung infolge der
Spannungswellenkomponenten, so daß letztere verringert oder
kompensiert werden. Durch die Verringerung dieser Komponenten
der Spannungsbeanspruchung wird der Schaden durch Wassertropfen-
Aufprall auf die Oberfläche des optischen Elements verringert.
Das relativ brüchige Material wird mit einer gehärteten Oberfläche
versehen, die gegen Regen-Erosion resistent ist. Diese
gehärtete Oberfläche vergrößert gleichzeitig die Bruchfestigkeit
des optischen Elements.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein optisches
Element vorgesehen, das zur Erhöhung seiner Widerstandsfähigkeit
gegen mit hoher Geschwindigkeit aufprallende Teilchen
gehärtet ist und eine aus einem optischen Material bestehende
Basis aufweist, die auf einer Oberfläche eine komprimierte
Schicht dieses Materials besitzt. Die komprimierte Materialschicht
enthält eine Vielzahl von in ihr angeordneten Furchen,
die durch benachbarte Bereiche des komprimierten Materials voneinander
getrennt sind, wobei unterhalb dieser Furchen ebenfalls
Teile der komprimierten Materialschicht vorgesehen sind.
Die Dicke des komprimierten Bereichs des optischen Materials
beträgt vorzugsweise drei Mikron oder weniger. Die Furchen
besitzen eine typische Tiefe von 1 nm (10 Angström entspricht
1 nm) bis 1000 nm und eine Breite von 0,01 bis 0,02 mm. Durch
eine derartige Anordnung entsteht ein gehärtetes optisches
Element, das äußerst widerstandsfähig ist gegen Beschädigung
durch mit hoher Geschwindigkeit aufprallende Teilchen.
Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Härten eines optischen Elements, das aus folgenden
Schritten besteht: Das optische Element wird durch maschinelle
Bearbeitung mit einer Vielzahl von Furchen versehen, die eine
Tiefe im Bereich von 1 nm bis 1000 nm haben; zwischen den
Furchen und unter ihnen wird ein komprimierter Bereich des
optischen Materials ausgebildet.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum
Härten einer Oberfläche eines Teil aus optischem Material. Es
beinhaltet das Bearbeiten mit einem Einspitzen-Werkzeug derart,
daß an der Oberfläche des optischen Elements eine komprimierte
Schicht entsteht, die eine Dicke von 0,5 µm bis 3,0 µm hat.
Diese komprimierte Schicht umfaßt eine Vielzahl von Furchen
mit einer Tiefe zwischen 1 nm und 1000 nm, wobei zwischen den
einzelnen Furchen ein Teil der komprimierten Schicht des
Materials des optischen Elements liegt. Die Furchen werden vorzugsweise
dadurch erzeugt, daß man das optische Element mit
einer vorbestimmten Geschwindigkeit rotieren läßt, während ein
Einspitzen-Diamantwerkzeug mit der Oberfläche des rotierenden
optischen Elements in Kontakt gebracht wird, wobei dieses Werkzeug
mit einer vorbestimmten Vorschubgeschwindigkeit quer über
die Oberfläche des optischen Elements geführt wird, bis die
erwähnte komprimierte Schicht erzeugt ist. Durch ein solches
Bearbeiten der Oberfläche des optischen Elements entsteht eine
komprimierte Materialschicht. Diese bewirkt ein Härten des
optischen Elements und trägt dazu bei, daß Beschädigungen
durch mit hoher Geschwindigkeit aufprallende Tropfen verhindert
werden, indem die oberflächennahen Spannungskräfte, die
von diesem Tropfenaufprall verursacht werden, gemildert und
verringert werden. Eine andere Weiterbildung der Erfindung hat
ein schlagfestes gehärtetes optisches Element zum Gegenstand,
das eine Basisschicht aus einem optischen Material mit einer
vorgegebenen Anfangsbruchfestigkeit und einem vorbestimmten
ersten Elastizitätsmodul aufweist. Über der Basismaterialschicht
befindet sich eine komprimierte Schicht aus optischem
Material. Die komprimierte Materialschicht besitzt eine Gesamtdicke,
die klein ist im Vergleich zur Dicke des optischen Materials
und im Bereich von 1 µm bis 3 µm liegt. Über dieser komprimierten
Schicht ist eine Schicht aus einem zweiten Material
angebracht, das einen zweiten, höheren Elastizitätsmodul besitzt
als das Material, aus dem die Basisschicht des optischen
Elements gebildet ist. Die Überzugsschicht haftet an der komprimierten
Schicht aus optischem Material und besitzt große
Widerstandsfähigkeit gegen das Ablösen aufgrund von Scherkräften,
die entstehen, wenn Wassertropfen mit hoher Geschwindigkeit
aufprallen. Durch diese Kombination einer komprimierten
Schicht mit einer Überzugsschicht entsteht ein optisches Element
mit wesentlich verbesserter Schlagfestigkeit und Festigkeitseigenschaften.
Die äußere Schicht stellt einen Überzug aus
einem Material dar, das einen zweiten, höheren Elastizitätsmodul
hat und dadurch die darunterliegende Basisschicht, die
aus dem Material mit niedrigerem Elastizitätsmodul besteht,
gegen Aufprallschäden schützt, wie sie beim Auftreffen von
Tropfen mit großer Geschwindigkeit entstehen können. Darüberhinaus
mildert die komprimierte Materialschicht die Auswirkungen
der Spannungswellenkomponenten beim Aufprall von
Tropfen. Damit entsteht durch die Kombination der beiden Verfahren
ein optisches Element mit wesentlich verbesserter
Schlag- und Bruchfestigkeit.
Im folgenden sei die Erfindung anhand der Zeichnungen näher
erläutert:
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines
optischen Elements in Form einer Platte,
das aus einer Basisschicht und einer Schutzschicht
gemäß der Erfindung besteht,
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt entsprechend der
Linie 2-2 von Fig. 1 und veranschaulicht
die Schutzschicht, die hier aus einer
einzigen Schicht besteht,
Fig. 3 zeigt einen Querschnitt entsprechend der
Linie 3-3 von Fig. 1 und veranschaulicht
die Schutzschicht, die hier aus zwei
Schichten besteht,
Fig. 4 zeigt einen Querschnitt entsprechend der
Linie 4-4 von Fig. 1 und veranschaulicht
die Schutzschicht, die hier aus einer
Vielzahl von paarweise einander abwechselnden
Schichten mit hohem Brechungsindex und
niedrigem Brechungsindex besteht,
Fig. 5A bis 5D zeigen in einer Reihe von Kurven
(Stand der Technik) die Verringerung
der radialen Beanspruchung in Abhängigkeit
von dem normierten Abstand von
dem Zentrum eines Tropfenaufpralls für
Beschichtungen mit unterschiedlichen
Werten des Elastizitätsmoduls,
Fig. 6 zeigt eine Mikrophotographie einer
unbeschichteten ZnS-Oberfläche, die
einem simulierten Regenfeld ausgesetzt
war mit einer Niederschlagsmenge von
25 mm pro Stunde, einer Geschwindigkeit
von 450 Meilen pro Stunde, einem Aufprallwinkel
von 90° und einer Tropfengröße von 2 mm,
Fig. 7 zeigt eine Mikrophotographie einer
beschichteten Oberfläche gemäß der
Erfindung, die demselben simulierten
Regenfeld ausgesetzt war wie die Schicht
von Fig. 6,
Fig. 8 zeigt die prozentuale Durchlässigkeit
in Abhängigkeit von der Wellenlänge für
eine 0,20 Zoll dicke beschichtete ZnS-Platte,
Fig. 9 zeigt einen Querschnitt eines Teils einer
Kuppel,
Fig. 10 zeigt eine vergrößerte Querschnittsansicht
eines Oberflächenteils der Kuppel von
Fig. 9,
Fig. 11 zeigt eine schematische Querschnittsansicht
eines Regentropfens, der auf die Oberfläche
eines herkömmlichen optischen Elements mit
einem mikroskopisch kleinen Fehler aufprallt,
Fig. 12 zeigt eine schematische Querschnittsansicht
eines Wassertropfens, der auf eine komprimierte
Schicht gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung aufprallt,
Fig. 13 zeigt eine vergrößerte Ansicht des auf die
komprimierte Schicht aufprallenden Tropfens
gemäß Fig. 12,
Fig. 14A und 14B zeigen Mikrophotographien einer in herkömmlicher
Weise polierten Kuppeloberfläche
einerseits und einer Kuppeloberfläche, die
einem erfindungsgemäßen Härtungsverfahren
unterzogen wurde,
Fig. 15 zeigt Kurven der Knoop-Härtezahlen in Abhängigkeit
von der Belastung für eine polierte
ZnS-Oberfläche und eine gehärtete ZnS-Scheibenoberfläche,
Fig. 16 zeigt eine Kurve der typischen Härtedifferenz
(Knoop) in Abhängigkeit von der Eindringtiefe
in die komprimierte Oberfläche der gehärteten
ZnS-Scheibe,
Fig. 17A und 17B zeigen Mikrophotographien einer in herkömmlicher
Weise polierte Oberfläche einer ZnS-
Linse bzw. einer erfindungsgemäß gehärteten
ZnS-Linse jeweils, nachdem sie einem simulierten
Regenfeld ausgesetzt waren,
Fig. 18A und 18B zeigen Mikrophotographien einer in herkömmlicher
Weise polierten und geläppten
ZnS-Linse bzw. einer erfindungsgemäß
gehärteten und geläppten ZnS-Linse; diese
Mikrophotographien veranschaulichen die
durch die komprimierte Schicht verursachte
Verformung,
Fig. 19 zeigt einen Querschnitt eines Teils eines
optischen Elements, zum Beispiel einer
Platte oder einer Kuppel mit einer komprimierten
Schicht aus optischem Material und
einer Überzugsschicht gemäß einer Weiterbildung
der Erfindung.
Das in Fig. 1 dargestellte plattenförmige optische Element 10
besitzt eine Basisschicht 12 aus einem Material mit vorbestimmten
optischen Eigenschaften. Obwohl die vorliegende Beschreibung
von einem plattenförmigen optischen Element ausgeht, sind
selbstverständlich auch andere Elemente, zum Beispiel Fenster,
Kuppeln, Linsen usw. denkbar, die eine nichtplanare Form haben.
Die typische Dicke der Basisschicht 12 beträgt wenigstens
0,125 cm, im allgemeinen 0,25 cm bis etwa 1,25 cm oder mehr.
Das optische Element kann ferner selektive optische Eigenschaften
haben. Es kann zum Beispiel aus einem Material bestehen,
das im infraroten, im sichtbaren und/oder ultravioletten
Bereich für optische Energie durchlässig ist. Das Material kann
ein Isolator oder ein Halbleiter sein. Für optische Elemente,
die in Infrarot-Bildsystemen für den Wellenlängenbereich 8 µm
bis 12 µm bestimmt sind, sind Beispiele für bevorzugte Materialien
Silicium, Germanium, Galliumarsenid, Galliumphosphid,
Quecksilber-Kadmium-Tellurid, Kadmium-Tellurid, Zinksulfid,
Zinkselenid oder eines der ternären Sulfide. Die aus dem ausgewählten
Material bestehende Schicht 12 läßt sich durch eines
der bekannten Verfahren, zum Beispiel durch Pulververdichtung
oder chemischer Ablagerung aus der Dampfphase herstellen.
Speziell für Anwendungen im Infrarotbereich sind die für die
Schicht 12 ausgewählten Materialien im allgemeinen dadurch
gekennzeichnet, daß sie einen relativ niedrigen Elastizitätsmodul,
typisch im Bereich von 3,5 × 10⁶ Ncm-2 bis 10⁷ Ncm-2
(5 × 10⁶ psi bis 15 × 10⁶ psi), eine hohe Durchlässigkeit für
Infrarotstrahlung, typisch im Bereich von 50% bis 75% über
einen zumindest von 2,0 µm bis 30 µm reichenden Wellenlängenabschnitt
des Infrarotbereichs und bei 10 Mikron einen
Brechungsindex besitzen, der typisch im Bereich von 2,2 bis
4,0 liegt. Die relevanten mechanischen und optischen Eigenschaften
einiger dieser Materialien sind in Tabelle 1 angegeben.
R % ist der Reflektionsverlust pro Fläche, der sich bei einer
auf das entsprechende Material aufgebrachten einer Viertelwellenlänge-
AR-Beschichtung von Y₂O₃ ergibt. Weitere Einzelheiten
hierzu werden weiter unten erläutert. Über der Basis 2
ist eine schlagfeste Antireflektionsschicht 11 angeordnet. Es
genügt hier, darauf hinzuweisen, daß diese Schicht 11 eine der
im folgenden zu diskutierenden Strukturen haben kann.
Aus Fig. 2 ist erkennbar, daß die Überzugsschicht 11 eine
erste Schutzschicht 14 beinhaltet, die über und vorzugsweise
auf dem Material der Basis 12 aufgebracht ist. Die Schutzschicht
besteht aus einem Material mit einem Elastizitätsmodul,
der wesentlich größer ist als der des Materials der Basis 12,
ferner mit einem hohen Durchlässigkeitsgrad für Infrarot in
der aufgebrachten Dicke über den ausgewählten Wellenlängenbereich
des optischen Elements, und vorzugsweise mit einem
Brechungsindex, der kleiner ist als der Brechungsindex des
Materials der Basisschicht 12. Darüberhinaus ist der Grad der
Haftung des abgelagerten Materials an dem Material der Schicht
12 sehr groß, insbesondere ist eine große Widerstandsfähigkeit
gegen ein Lösen durch Scherkräfte gegeben, die durch sehr
schnelles radiales Abströmen von aufprallenden Tröpfchen,
zum Beispiel von aufprallenden Wassertröpfchen, verursacht
wird. Die Schicht 14 läßt sich durch bekannte Verfahren,
zum Beispiel durch Ionenstrahlzerstäubung, Diodenzerstäubung
oder Verdampfung aufbringen. Die Schicht 14 kann alternativ
auch dadurch auf der Platte 12 aufgebracht werden, daß diese
in eine Lösung getaucht wird, die ein organisches Bindemittel
und das Material mit hohem Elastizitätsmodul enthält. Nach dem
Eintauchen in diese Lösung wird das Material herausgenommen
und in einem Ofen plaziert, wobei das organische Bindemittel
entfernt wird. Alternativ kann die Beschichtung auch dadurch
aufgebracht werden, daß eine Mischung aus einem Bindemittel
und dem Beschichtungsmaterial über die auf eine vorbestimmte
Temperatur erwärmte Basisschicht 12 aufgesprüht und getrocknet
wird. Mit diesem besonderen Beschichtungsverfahren läßt sich
mit vergleichsweise geringem Aufwand eine gleichförmige
Schicht 14 auf der Basis 12 aufbringen. Für die oben erwähnten
Basisschichtmaterialien geeignete Schichtungsmaterialien sind
zum Beispiel Yttriumoxyd (Y₂O₃), Magnesiumoxyd (MgO) und
Scandiumoxyd (Sc₂O₃) sowie homogene Mischungen dieser Materialien.
Die relevanten mechanischen und optischen Eigenschaften
dieser Materialien sind in Tabelle 2 angegeben.
Die Hauptfaktoren, die bei der Auswahl der Materialien für die
Schicht 14 berücksichtigt werden müssen, liegen darin, daß die
optischen Eigenschaften des ausgewählten Materials für den beabsichtigten
Einsatz des optischen Elements 10 bei den Dicken,
in denen das Material der Schichten 14 aufgebracht wird, geeignet
sein müssen. Außerdem muß das Material der Schicht 14
einen Elastizitätsmodul haben, der allgemein etwa wenigstens
zweimal so groß ist wie der Elastizitätsmodul des Materials
der Basisschicht 12. Falls die Überzugsschicht 14 bei der beabsichtigten
Verwendung des optischen Elements 10 Wasser ausgesetzt
wird, muß das Material der Schicht 14 unlöslich und in
Wasser stabil sein. Zur Erzielung einer Anti-Reflektionskorrektur
ist der Brechungsindex des Materials der Schicht 14 vorzugsweise
kleiner als der Brechungsindex des Materials der
Basis 12. Für die Anti-Reflektionskorrektur zwischen Luft mit
einem Brechungsindex von etwa 1,00 und dem Material der Basisschicht
12 ist der erforderliche Brechungsindex (n₁₄) der
Beschichtung etwa gleich dem geometrischen Mittel der
Brechungsindizes des Materials der Basisschicht 12 und des
umgebenden Mediums
Es ist allgemein bekannt,
daß der Brechungsindex bei den meisten Materialien sich als
Funktion der Wellenlängendispersion ändert. Dementsprechend
ändert sich diese Anti-Reflektionskorrektur ebenfalls als
Funktion der Wellenlänge.
Die Schicht 14 wird auf der Basisschicht 12 vorzugsweise mit
einer physikalischen Dicke aufgebracht, die 1/4 der optischen
Wellenlänge bei der speziellen interessierenden Wellenlänge
für das optische Element entspricht. Im allgemeinen ist die
optische Dicke (t₀) solcher Elemente definiert als das Produkt
aus der physikalischen Dicke (t) der Beschichtung 14 und dem
Brechungsindex (n c ) des Materials der Beschichtung 14
(t₀ = (t · n c )). Die gewünschte physikalische Dicke für eine
optische Dicke von λ/4 ist gegeben durch t = (λ/4)n c , worin
g die besonders interessierende Wellenlänge für das optische
Element und n c der Brechungsindex der Beschichtung bei der
interessierenden Wellenlänge bedeuten. Es ist dem einschlägigen
Fachmann bewußt, daß die optische Dicke (t₀) eine Dicke
höherer Ordnung sein kann, zum Beispiel 3λ/4 oder 5λ/4. Die
physikalische Dicke t ist dann allgemein gegeben durch
t = [(2N + 1) λ/4]/n c , worin N eine ganze Zahl 0, 1, 2, 3 . . . ist.
Somit kann die physikalische Dicke t der Schicht 14 vergrößert
werden, so daß sie für die Basis 12 einen besseren Schlagschutz
bildet, während gute Antireflektions- und optische Transmissions-
Eigenschaften beibehalten werden. Für ein Material wie Y₂O₃ mit
einem Brechungsindex von n c = 1,63 bei 10,6 Mikron, ist die
optimale Dicke für eine λ/4-Schicht bei 10,6 Mikron etwa
1,63 Mikron.
In Fig. 3 ist eine Platte 10 dargestellt, die eine Basis 12
und über wenigstens einer ersten Oberfläche dieser Basis eine
Überzugsschicht 11 besitzt. Letztere ist im vorliegenden Falle
eine als Verbundschicht ausgebildete stoßfeste Antireflexschicht
15. Die Schicht besteht aus der oben erwähnten Überzugsschicht
14 mit großem Elastizitätsmodul und einem
Brechungsindex, der kleiner ist als der Brechungsindex des
Materials der Basis 12 und mit einem guten Haftvermögen auf
dem Material der Basisschicht 12. Über dieser ersten Überzugsschicht
14 ist eine zweite Überzugsschicht 16 angeordnet, die
aus einem zweiten Material besteht, das einen wesentlich
höheren Elastizitätsmodul hat und einen Brechungsindex, der
größer ist sowohl als der des Materials der Basis 12 als auch
der ersten Überzugsschicht 14. Geeignete Materialien für diese
zweite Überzugsschicht 16 beinhalten zum Beispiel Ceriumoxyd,
Titanoxyd, Zirkoniumoxyd und harter Kohlenstoff. Von diesen
ist harter Kohlenstoff das bevorzugte Material, weil es den
höchsten Elastizitätsmodul hat. Harter Kohlenstoff haftet
jedoch nicht gut auf Zinkselenid, Zinksulfid usw., die zu
den bevorzugten Materialien für die Basisschicht 12, insbesondere
bei optischen Wellenlängen im Bereich von 8 µm bis
12 µm, gehören. Die relevanten mechanischen und optischen
Eigenschaften dieser Materialien sind in Tabelle 3 angegeben.
Magerkohlenschichten können durch beliebige geeignete Verfahren
aufgebracht werden. So können zum Beispiel Ionenstrahlzerstäubung
sowie chemische Ablagerung aus der Dampfphase mit Zersetzung
der Kohlenwasserstoffe enthaltenden Dämpfe verwendet
werden. Obwohl Magerkohlenschichten im allgemeinen nicht gut
auf den meisten Infrarot-Materialien haften, kann man davon
ausgehen, daß derartige Schichten aus Magerkohle auf Materialien
haften, die für die erste Überzugsschicht 14 verwendet
werden. Wie erwähnt wurde, umfassen die geeigneten Materialien
für die Schicht 14 zum Beispiel MgO, Sc₂O₃ und Y₂O₃. Im allgemeinen
haftet Magerkohle sehr gut auf verschiedenen Oxyden,
einschließlich der vorhin erwähnten. Durch das Einfügen der
Schicht 14 zwischen die Schicht 16 mit sehr hohem Elastizitätsmodul
und die Basis 12 ermöglichen die Vorteile bezüglich
Stoßfestigkeit der Materialien der Schicht 16 mit sehr hohem
Elastizitätsmodul die Schaffung einer Verbundschicht mit
Antireflektionseigenschaften und sehr hoher Schlagfestigkeit,
die die Basis 12 gegen einen mit hoher Geschwindigkeit erfolgenden
Beschuß mit Wassertröpfchen schützen. In Fig. 4 ist
ein plattenförmiges optisches Element gezeigt, das wieder aus
der Basisschicht 12 und der Überzugsschicht 11 besteht.
Letztere ist hier eine breitbandige, stoßfeste Antireflex-
Schicht 17, die aus einer Mehrzahl der oben erwähnten und anhand
von Fig. 3 beschriebenen stoßfesten Verbundschichten 15
mit Antireflexeigenschaften umfaßt. Mit dieser Anordnung erhält
man eine sehr dicke Antireflex-Schicht 11 mit hervorragenden
Hafteigenschaften an der Basis 12 und großer Schlagfestigkeit.
Durch geeignete Wahl der Dicken der mehreren
Verbundschichten 15 und der individuellen Schichten 14 und 16
nach Maßgabe der Konstruktionsprinzipien von optischen Mehrlagen-
Beschichtungen kann man auch eine breitbandige Antireflektionsschicht
erhalten.
Die Fig. 5A bis 5D zeigen eine Reihe von graphischen Darstellungen,
die einem Report Fields et al "Liquid Impact
Erosion Mechanisms In Transparent Materials AFWAL-TR-82-4022"
entnommen sind. Sie zeigen die Verringerung der radialen
Spannung in Abhängigkeit von dem normierten Abstand von dem
Zentrum des Tropfenaufschlags. Der Verlauf der einzelnen
Diagramme ist kennzeichnend für die radiale Spannung, die
sich auf einer beschichteten Oberfläche entwickelt, deren
Elastizitätsmodul größer ist als derjenige des Materials der
optischen Elemente, jeweils im Vergleich mit den radialen
Spannungen, die sich auf einer unbeschichteten Fläche entwickeln.
Wie aus Fig. 5D hervorgeht, sind die Spannungsbeanspruchungen,
die in die Basisschicht induziert werden, während
des Aufpralls von Wassertröpfchen im wesentlichen gleich Null,
wenn der Elastizitätsmodul des Materials der Beschichtung etwa
zehn mal so groß ist wie derjenige des Materials der Basisschicht.
Fig. 6 und 7 zeigen Mikrophotographien einer unbeschichteten
Oberfläche (Fig. 6) und einer beschichteten Oberfläche (Fig.
7) jeweils nachdem sie einem simulierten Regenschauer
ausgesetzt wurden mit einer Heftigkeit von 25 mm pro Stunde,
einer Geschwindigkeit von 450 Meilen pro Stunde, einem Einfallswinkel
von 90° und einem Tröpfchendurchmesser von 2 mm. Es läßt
sich beobachten, daß die Beschädigung der unbeschichteten
Fläche von Zinksulfid wesentlich größer ist als die der Zinksulfid-
Fläche mit einer Beschichtung von Yttriumoxyd.
Fig. 8 zeigt in einer Kurve die prozentuale Durchlässigkeit
über der Wellenlänge für eine 0,2 Zoll dicke beschichtete
Platte Zinksulfid des Typs RAYTRAN. Die Beschichtung bestand
aus Yttriumoxyd mit einer Dicke von 1/4 Wellenlänge bei
10,0 Mikron. Die Beschichtung war etwa 2,45 Mikron dick. Sie
war so gewählt, daß die Oberflächendurchlässigkeit bei
10 Mikron ein Maximum war und war auf beiden Hauptflächen der
Platte aufgebracht.
In den Fig. 9 bis 12 ist ein Teil eines optischen Elements
in Form einer Kuppel 110 dargestellt. Es umfaßt eine Schicht
112, die aus einem Material mit vorbestimmten optischen Eigenschaften
besteht. Obwohl das optische Element hier beispielhaft
die Form einer Kuppel hat, gelten die folgenden Ausführungen
auch für andere Arten von optischen Elementen, zum Beispiel
Fenster, Platten, Linsen usw. Die Dicke der Basisschicht 112
ist typisch so groß wie diejenige der Basisschicht 12. Das
optische Element kann ausgewählte optische Eigenschaften haben,
es kann zum Beispiel aus einem Material bestehen, das für optische
Strahlung im infraroten, sichtbaren oder ultravioletten
Spektralbereich transparent ist. Das Material des optischen
Elements kann ein Isolator oder ein Halbleiter sein. Beispiele
für bevorzugte Materialien für optische Elemente von Bildsystemen
für den Infrarotbereich umfassen Silicium, Germanium,
Galliumarsenid, Galliumphosphid, Quecksilber-Kadmium-Tellurid,
Kadmium-Tellurid, Zinksulfid, Zinkselenid oder eines der
ternären Sulfide der allgemeinen Form MN₂S₄, worin M ein monovalentes
Ion, N ein aus der Reihe der Lanthanide ausgewähltes
Ion und S das Sulfid-Ion S-2 ist. Die Schicht 112 aus dem
ausgewählten Material kann nach irgendwelchen bekannten Verfahren,
zum Beispiel durch Pulververdichtung oder chemische
Ablagerung aus der Dampfphase hergestellt sein. Im allgemeinen
sind die für die Schicht 112 ausgewählten Materialien gekennzeichnet
durch eine relativ hohe Durchlässigkeit für eine
spezielle Energie, zum Beispiel eine Durchlässigkeit von mehr
als 50% für Infrarotstrahlen über wenigstens einen Teil des
Infrarotbandes. Diese Materialien sind im allgemeinen sehr
brüchig und recht formsteif und haben einen Elastizitätsmodul
im Bereich von 3,5 × 10⁶ Ncm-2 bis 10⁷ Ncm-2. Sie sind jedoch
im allgemeinen sehr schwach und haben eine typische Bruchfestigkeit
von 3850 bis 10 500 Ncm-2 (5500 bis 15 000 psi). Die
Kuppel 110 besitzt ferner eine plastisch verformte Druckschicht
114 (Fig. 10), die über der Oberfläche 112 a des optischen
Elements 110 angeordnet ist. Die Druckschicht 114 ist vorzugsweise
ein Teil des Materials der Schicht 112. Wie genauer in
Fig. 12 erkennbar ist, besitzt die Druckschicht 114 eine
Vielzahl von Furchen oder Nuten 113, wobei benachbarte Exemplare
dieser Furchen oder Nuten 113 durch komprimierte Bereiche
113 a des Materials der Schicht 112 von einander beabstandet
sind, und unter den Furchen eine komprimierte Schicht 113 b angeordnet
ist. Das Ausmaß, in welchem die Schicht 114 komprimiert
ist, ist eine Funktion der Größe der Druckkräfte, die während
der Behandlung der Kuppel 110 auftreten. Dies wird weiter unten
im einzelnen beschrieben.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 11 und 12 sei der Mechanismus
erläutert, durch den die Druckschicht 114 die Kuppel 110 verstärkt
und gegen Beschädigung durch mit hoher Geschwindigkeit
aufprallendes Wasser oder mechanischer Belastung schützt.
In Fig. 11 ist eine in herkömmlicher Weise polierte Oberfläche
112 a mit einem Wassertropfen 115 dargestellt. Dieser
besitzt eine resultierende Geschwindigkeit V₀ senkrecht zu der
Fläche 112 a, wenn er auf diese auftrifft. In der Oberfläche
112 a der Schicht 112 befindet sich ein Mikroriß 116, der bei
der Herstellung der polierten Oberfläche entstanden ist oder
der Morphologie der Basis 112 zugeordnet ist. Beim Aufprall
des Wassertropfens 115 entsteht eine Spannungskomponente der
durch die Pfeile 118 dargestellten resultierenden Oberflächen-
Spannungswelle. Infolge dieser Spannungsbeanspruchung 118 im
Bereich des Mikrorisses 116 breitet dieser sich als Spalt 116′
aus. Wenn die Spannungsbeanspruchung genügend groß ist, kann
sich der Spalt 116′ vollständig durch die Basis 112 des optischen
Elements 110 ausbreiten. Wenn eine hinreichend große
Anzahl derartiger Spalte vorhanden ist, wird die optische
Transparenz des Elements aufgrund innerer Reflektionen und
Brechung im Bereich des Spalts erheblich verringert. Noch
schwerwiegender ist die Tatsache, daß das optische Element
splittern oder brechen kann und damit die übrigen Teile des
(nicht dargestellten) optischen Systems schwerster Beschädigung
aussetzt, wenn genügend viele derartige Spalte vorhanden
sind.
Aus den Fig. 14 und 15 ist erkennbar, daß die zuvor
existierenden Mikrorisse 116 in der Basis 112 durch Materialkompression
im Bereich 114 geheilt werden, wenn erfindungsgemäß
eine komprimierte Schicht 114 über der Kuppel 110 angeordnet
ist. Bei der Herstellung der komprimierten Schicht 114
werden entgegengesetzte Druckkräfte 114 wirksam, die zur Folge
haben, daß vorhandene Mikrorisse in ihrer Größe zu kleineren
Mikrorissen 117 schrumpfen. Außerdem steht das den Mikroriß
117 umgebende Material, wie durch Pfeile 120 angedeutet, noch
unter Kompression, die auf das Material im Bereich 113 b drückt.
Beim Aufprall von Wassertropfen entsteht, wie oben erwähnt,
eine Spannungskomponente 118 auf seiten des Mikrorisses 117.
Weil der Mikroriß 117 kleiner ist, ist die Geschwindigkeit,
mit der der Wassertropfen auf die Schichtfläche auftreffen
kann, ohne Schaden zu verursachen, größer, weil die Geschwindigkeitsschwelle
durch Verkleinerung der Mikrorisse größer
geworden ist. Außerdem bleibt das Material nach dem Anbringen
der Furchen 113 komprimiert, und die verkleinerte Spannungskomponente
118′, die bei dem Mikroriß 117 entsteht, breitet
sich nicht durch die Druckschicht 113 und in die Basisschicht
112 aus, es sei denn, die Spannungskomponente 118′ kann die
Druckkraft überwinden, die den Grad angibt, bis zu welchem die
Schicht 114 unter Kompression steht. Dementsprechend vergrößert
die Druckschicht 114 die Geschwindigkeitsschwelle, bei der
durch das Aufprallen Schaden entsteht, auf zwei Arten: Zum
einen verringert sie allgemein die Ausdehnung der in dem
Material vorhandenen Mikrorisse und sorgt damit bei gegebener
Aufprallgeschwindigkeit der Wassertropfen für eine kleinere
resultierende Spannungskomponente, zum anderen bewirkt sie
eine Druckkraft, durch welche die durch die Ausbreitung der
durch die Druckschicht 13 erzeugten Spannung gedämpft oder
verringert wird.
Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung der Druckschicht 114
besteht darin, daß ein Oberflächenteil des optischen Elements
mit einem Diamanten mit einer Spitze bearbeitet wird. Die Oberfläche
kann im allgemeinen in zwei Schritten bearbeitet werden.
Bei einem ersten Schritt, einem "Rohschnitt" werden die Bearbeitungsparameter
so gewählt, daß wesentliche Mengen des Materials
119 abgetragen werden (Fig. 10). Dieser Materialabtrag
kann in der Größenordnung von 25 µm bis 125 µm oder mehr
liegen. Der Zweitschnitt, ein "Endbearbeitungsschnitt" kann
aus einem oder mehreren Schritten oder Schnitten bestehen, bei
denen eine geringe Materialmenge, typischerweise 2,5 µm bis
12,5 µm abgetragen wird, um eine im wesentlichen glatte,
jedoch noch gefurchte Oberfläche zu gewinnen.
Typische Oberflächeneigenschaften der in Fig. 10 dargestellten
verfestigten Druckschicht 114 sind die folgenden:
Die Furchen 113 können eine Breite w f von typisch 0,01 mm bis
0,02 mm haben. Die Seitenwandungsabschnitte 113 a haben im allgemeinen
eine Höhe h f von 1 nm bis 1000 nm.
Typische Bearbeitungsparameter, die sich zur Bearbeitung einer
Druckschicht 114 in Eins-Zoll-Zinksulfid-Scheiben als brauchbar
erwiesen haben, sind folgende:
Brauchbare Parameter zur Erzeugung von Druck-Oberflächenschichten bei maschineller Bearbeitung mit einer Spitze.
Brauchbare Parameter zur Erzeugung von Druck-Oberflächenschichten bei maschineller Bearbeitung mit einer Spitze.
Rohschnitt:
Schnittiefe= 0,0075 cm Rotationsgeschwindigkeit=750 Umdrehungen/Minute Zuführungsgeschwindigkeit=1,25 cm/Minute Werkzeugradius= 0,32 cm
Schnittiefe= 0,0075 cm Rotationsgeschwindigkeit=750 Umdrehungen/Minute Zuführungsgeschwindigkeit=1,25 cm/Minute Werkzeugradius= 0,32 cm
Endschnitt:
Schnittiefe= 0,0005 cm Rotationsgeschwindigkeit= 550 Umdrehungen/Minute Zuführungsgeschwindigkeit= 0,6 cm/Minute Werkzeugradius= 0,32 cm
Schnittiefe= 0,0005 cm Rotationsgeschwindigkeit= 550 Umdrehungen/Minute Zuführungsgeschwindigkeit= 0,6 cm/Minute Werkzeugradius= 0,32 cm
Es wurden sechzig Proben von Zinksulfid-Scheiben entsprechend
dem vorliegenden Verfahren hergestellt. Die an diesen Scheiben
gemessenen mechanischen Parameter waren die Knoop-Mikrohärte
(kg/mm²) und die Bruchfestigkeit. Die Bruchfestigkeit betrug
im allgemeinen wenigstens etwa 13 500 N/cm² und war damit
größer als die Bruchfestigkeit (10 700) herkömmlicher polierter
Proben. Dementsprechend liefert dieses Verfahren eine Vergrößerung
der Bruchfestigkeit von etwa 25%.
Wie aus den Fig. 14A und 14B hervorgeht, ist die in herkömmlicher
Weise polierte Oberfläche im wesentlichen glatt, gleichförmig
und ohne besondere Struktureigenschaften, während die
erfindungsgemäß zubereitete Oberfläche Furchen oder Nuten mit
im wesentlichen regelmäßigen Abstand aufweist.
In den Fig. 15 und 16 sind typische Mikrohärte-Kurven dargestellt,
und zwar sind die Knoop-Härtezahlen über der Belastung
aufgetragen einmal für in herkömmlicher Weise polierte Zinksulfidscheiben
sowie für Zinksulfidscheiben mit der Druckschicht
114. Für Belastungen von 20 g und weniger sind die
Knoop-Härtezahlen für Scheiben mit der Druckschicht 114 im
allgemeinen um zwischen 50 und 100 größer als die Knoop-Härtezahlen
für in herkömmlicher Weise polierte Scheiben. Außerdem
zeigt die in Fig. 16 dargestellte Kurve, in der die als
Differenz der Knoop-Härtezahlen ausgedrückte Härtedifferenz
als Funktion der Eindringtiefe in die Druckschicht 114 dargestellt
ist, ein signifikantes Anwachsen der Härte für Eindringtiefen
von 2 Mikron oder weniger. Durch Extrapolation dieser
Daten läßt sich folgen, daß der Härteeffekt auf einen Oberflächenbereich
von 3 Mikron der bearbeiteten Proben beschränkt
ist. Durch Vergleich der Fig. 17A und 17B, in denen auf
herkömmliche Weise polierte gegen mit einer Diamantspitze
bearbeitete Zinksulfidplatten gestellt sind, nachdem sie fünf
Minuten bei 450 Meilen pro Stunde einem simulierten Regenschauer
mit 25 mm pro Stunde und einem Tropfendurchmesser von 2 mm ausgesetzt
waren, zeigt, daß die herkömmlich polierte Probe signifikant
stärkere Schäden aufweist, die vorwiegend aus unter der
Oberfläche liegenden Brüchen bestehen. Demgegenüber ist die
Beschädigung der Platte mit Druckschicht, die durch Bearbeitung
einer Zinksulfidprobe mit einer einzelnen Diamantspitze erhalten
wurde, wesentlich kleiner (Fig. 17B). Ein Vergleich der
Fig. 18A und 18B zeigt, daß die Schicht 13 eine komprimierte
Schicht aus optischem Material ist. Zwei Linsenrohlinge aus
Zinksulfid aus demselben Los von Zinksulfidmaterial wurden
poliert. Die Oberfläche einer Linse wurde mit Hilfe herkömmlicher
Polierverfahren optisch eben poliert, während die
Oberfläche der anderen Linse erfindungsgemäß eben bearbeitet
wurde. Anschließend wurde jede Probe mit der Fläche nach unten
auf einem Läppkissen montiert und von einer Dicke von etwa
0,5 cm auf einer Dicke von 0,025 cm und eine Ebenheit von
einer viertel Wellenlänge im sichtbaren Spektrum quer zur
geläppten Oberfläche gebracht. Beim Herunternehmen von den
Läppscheiben verformten sich die Proben etwas. Diese Verformung
ist in den Interferenzbildern der Fig. 18A und 18B dargestellt.
Wie in Fig. 18A erkennbar ist, war die Verformung der
in üblicher Weise polierten Probe minimal, was zu einer unregelmäßigen
Oberfläche führte. Aus Fig. 18B ist erkennbar, daß
bei der Probe mit der erfindungsgemäß vorgesehenen Druckschicht
114 die Verformung so stark war, daß sie mit dem Interferometer
nicht gemessen werden konnte. Außerdem verformte sich die
Probe nach dem Muster von Fig. 3 nach dem Ablösen von Läppkissen
zu einer stark konkaven Fläche. Diese Verformung steht
in Zusammenhang mit den in den Schichten der geläppten Probe
vorhandenen Spannungen. Es ist demnach klar, daß in dem in
üblicher Weise polierten Rohling (Fig. 18A) im wesentlichen
keine Druckspannung erzeugt wird, während die in Fig. 18B
dargestellte Probe mit einer hochkomprimierten Schicht 114
versehen war. Der Radius der konkaven Oberfläche wurde optisch
ausgemessen und zur Abschätzung der Größe der Druckspannung
an der Oberfläche der bearbeiteten Probe (Fig. 18B) benutzt.
Die auf den Krümmungsradius (R) der Oberfläche bezogene Druckspannung
(S) war durch folgende Gleichung gegeben:
worin E der Young-Modul, der als 7,45 × 10⁶ N/cm² (10,8 × 10⁶ psi)
gegeben war,
d
die auf 0,023 cm geschätzte Dicke der Probe
R
der mit 129,2 cm gemessene Krümmungsradius
t
die mit 10-4 cm geschätzte Dicke der Druckschicht und
V
die auf 0,28 geschätzte Possion-Zahl
bedeuten. Mit diesen Zahlenwerten ergibt sich S = 7100 kg/cm²
oder 1 × 10⁵ psi. Die durch die obigen Daten demonstrierten
Verfestigungs- und Härtungswirkungen sind dementsprechend eindeutig
das Ergebnis der Ausbildung einer komprimierten Oberflächenschicht
auf dem Zinksulfid-Rohling während der oben beschriebenen
Arbeitsgänge. Durch geeignete Auswahl der Bearbeitungsparameter
wie Werkzeuggeschwindigkeit, Werkzeugtyp, Schnittiefe, Zuführungsgeschwindigkeit,
Werkzeugwinkel usw. läßt sich deshalb die
Größe der auf der Zinksulfid-Oberfläche erzeugten Druckschicht
auswählen und damit der Grad der Verfestigung/Härtung des
Zinksulfids steuern.
In Fig. 19 ist ein Teil eines optischen Elements dargestellt,
das hier eine Platte 130 mit der Schicht 12 ist, die hier aus
einem Material besteht, das die oben beschriebenen optischen
Eigenschaften hat. Über der Schicht 12 ist eine komprimierte
Materialschicht 114 angeordnet, wie sie oben in Verbindung mit
den Fig. 12 bis 18 beschrieben wurde. Über der komprimierten
Schicht 114 ist eine Überzugsschicht 11 angeordnet, die entweder
aus der erwähnten Einzelschicht oder einem mehrschichtigen
Überzug besteht, wie sie oben anhand der Fig. 1 bis 8 beschrieben
wurden. Man kann davon ausgehen, daß mit dieser besonderen
Anordnung, die die gesteigerte Härte und Widerstandsfähigkeit
gegen Regen-Erosion der beiden oben beschriebenen Verfahren
aufweist, ein optisches Element zur Verfügung steht, das insgesamt
wesentlich verbesserte Bruchfestigkeit und Widerstandsfähigkeit
gegen Regen-Erosion besitzt.
Claims (45)
1. Optisches Element, gekennzeichnet durch
eine Basis, die aus einem ersten Material besteht, das über einen vorbestimmten Wellenlängenbereich eine vorbestimmte optische Durchlässigkeit hat und das eine vorbestimmte Widerstandsfähigkeit gegen durch mit hoher Geschwindigkeit aufprallende Tropfen verursachte Beschädigung besitzt,
sowie auf dieser Basis angeordnete Mittel zur Vergrößerung der Widerstandsfähigkeit der Basis gegen Beschädigung durch Tropfenaufprall, wobei dieses Mittel aus einem zweiten Material bestehen, das einen Brechungsindex von weniger als 2,0 hat.
eine Basis, die aus einem ersten Material besteht, das über einen vorbestimmten Wellenlängenbereich eine vorbestimmte optische Durchlässigkeit hat und das eine vorbestimmte Widerstandsfähigkeit gegen durch mit hoher Geschwindigkeit aufprallende Tropfen verursachte Beschädigung besitzt,
sowie auf dieser Basis angeordnete Mittel zur Vergrößerung der Widerstandsfähigkeit der Basis gegen Beschädigung durch Tropfenaufprall, wobei dieses Mittel aus einem zweiten Material bestehen, das einen Brechungsindex von weniger als 2,0 hat.
2. Optisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die genannten Mittel aus einem komprimierten
Bereich des zweiten Materials bestehen.
3. Optisches Element nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der komprimierte Bereich aus zweitem Material eine
komprimierte Schicht des ersten Materials ist.
4. Optisches Element nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die komprimierte Schicht eine Mehrzahl von in einem
Oberflächenbereich dieser Schicht angeordneten Furchen aufweist,
wobei unterhalb dieser Furchen eine komprimierte
Schicht aus dem ersten Material angeordnet ist und zwischen
benachbarten Furchen komprimierte Bereiche aus dem ersten
Material angeordnet sind.
5. Optisches Element nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß das erste Material der Gruppe angehört, die aus
Zinksulfid, Zinkselenid, Germanium, Galliumarsenid, Galliumphosphid,
Quecksilber-Kadmium-Tellurid, Kadmium-Tellurid und
einem ternären Sulfid mit der allgemeinen chemischen Formel
MH₂S₄ besteht, worin M ein aus der Gruppe der 1A Elemente
ausgewähltes Kation, N ein aus der Lanthanid-Reihe der
seltenen Erden ausgewähltes Kation und S das Sulfid-Anion
S2- ist.
6. Optisches Element nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Furchen eine Tiefe im Bereich von 10 bis 10 000
Å haben und eine Breite, die etwa im Bereich von 0,01 bis
0,02 mm liegt.
7. Optisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Vergrößerung der Widerstandsfähigkeit der Basis
gegen Tropfen-Aufprall das erste Material einen ersten vorbestimmten
Elastizitätsmodul hat und daß das zweite Material
einen zweiten Elastizitätsmodul hat, der größer ist als der
Elastizitätsmodul des ersten Materials.
8. Optisches Element nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß der Elastizitätsmodul des zweiten Materials wenigstens
zweimal so groß ist wie der Elastizitätsmodul des
ersten Materials.
9. Optisches Element nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß das zweite Material eine physikalische Dicke t hat,
die gegeben ist durch t = (2N + 1) λ/4/n c , worin N eine ganze
Zahl gleich 0, 1, 2, 3, . . ., λ eine spezielle interessierende
Wellenlänge und n c der Brechungsindex des zweiten Materials
bei der Wellenlänge λ bedeuten.
10. Optisches Element nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß das die Basisschicht bildende erste Material der Gruppe angehört, die aus Zinksulfid, Zinkselenid, Germanium, Galliumarsenid, Galliumphosphid, Quecksilber-Kadmium-Tellurid, Kadmium-Tellurid und einem ternären Sulfid mit der allgemeinen chemischen Formel MN₂S₄ besteht, worin M ein aus der Gruppe der 1A Elemente ausgewähltes monovalentes Kation, N ein aus der Lanthanid-Reihe der seltenen Erden ausgewähltes Kation und S das Sulfid-Anion S2- ist,
und daß das zweite Material aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Yttriumoxyd, Scandiumoxyd, Magnesiumoxyd und Mischungen des Yttriumoxyd, Scandiumoxyd und Magnesiumoxyd besteht.
daß das die Basisschicht bildende erste Material der Gruppe angehört, die aus Zinksulfid, Zinkselenid, Germanium, Galliumarsenid, Galliumphosphid, Quecksilber-Kadmium-Tellurid, Kadmium-Tellurid und einem ternären Sulfid mit der allgemeinen chemischen Formel MN₂S₄ besteht, worin M ein aus der Gruppe der 1A Elemente ausgewähltes monovalentes Kation, N ein aus der Lanthanid-Reihe der seltenen Erden ausgewähltes Kation und S das Sulfid-Anion S2- ist,
und daß das zweite Material aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Yttriumoxyd, Scandiumoxyd, Magnesiumoxyd und Mischungen des Yttriumoxyd, Scandiumoxyd und Magnesiumoxyd besteht.
11. Optisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das erste Material einen vorbestimmten Elastizitätsmodul
hat und daß die genannten Mittel eine erste
Schicht aus dem zweiten Material umfassen, wobei das zweite
Material einen zweiten Elastizitätsmodul hat, der größer ist
als der Elastizitätsmodul des ersten Materials, sowie eine
zweite Schicht aus einem dritten Material, dessen Elastizitätsmodul
größer ist als der Elastizitätsmodul des ersten
und des zweiten Materials und dessen Brechungsindex größer
ist als 2,0.
12. Optisches Element nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß die physikalische Dicke t der zusammengesetzten
Schicht gegeben ist durch t = (2N + 1) λ/4/n c , worin N eine
ganze Zahl gleich 0, 1, 2, 3, . . ., λ eine spezielle interessierende
Wellenlänge und n c den Brechungsindex der zusammengesetzten
Schicht bei der Wellenlänge λ bedeuten.
13. Optisches Element nach Anspruch 11, dadurch
gekennzeichnet,
daß die Basis aus einem Material besteht, das der Gruppe angehört, die aus Zinksulfid, Zinkselenid, Germanium, Galliumarsenid, Galliumphosphid, Quecksilber-Kadmium-Tellurid, Kadmium-Tellurid und einem ternären Sulfid mit der allgemeinen chemischen Formel MN₂-S₄ besteht, worin M ein aus der Gruppe der 1A Elemente ausgewähltes Kation, N ein aus der Lanthanid-Reihe der seltenen Erden ausgewähltes Kation und S das Sulfid-Anion S2- ist,
daß das zweite Material aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Yttriumoxyd, Scandiumoxyd, Magnesiumoxyd und Mischungen aus Yttriumoxyd, Scandiumoxyd und Magnesiumoxyd besteht,
und daß das dritte Material aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Hartkohle, Ceriumoxyd, Titanoxyd und Zirkoniumoxyd besteht.
daß die Basis aus einem Material besteht, das der Gruppe angehört, die aus Zinksulfid, Zinkselenid, Germanium, Galliumarsenid, Galliumphosphid, Quecksilber-Kadmium-Tellurid, Kadmium-Tellurid und einem ternären Sulfid mit der allgemeinen chemischen Formel MN₂-S₄ besteht, worin M ein aus der Gruppe der 1A Elemente ausgewähltes Kation, N ein aus der Lanthanid-Reihe der seltenen Erden ausgewähltes Kation und S das Sulfid-Anion S2- ist,
daß das zweite Material aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Yttriumoxyd, Scandiumoxyd, Magnesiumoxyd und Mischungen aus Yttriumoxyd, Scandiumoxyd und Magnesiumoxyd besteht,
und daß das dritte Material aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Hartkohle, Ceriumoxyd, Titanoxyd und Zirkoniumoxyd besteht.
14. Optisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das erste Material der Basis einen ersten vorbestimmten
Elastizitätsmodul hat und daß die genannten Mittel
ferner einen komprimierten Bereich aus dem zweiten Material
sowie eine Schicht aus einem dritten Material umfassen, das
einen zweiten, höheren Elastizitätsmodul hat als das Material
der ersten Schicht.
15. Optisches Element nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,
daß der komprimierte Bereich aus dem zweiten Material
von einem komprimierten Bereich des ersten Material gebildet
und in der Basis angeordnet ist und daß die Schicht aus dem
dritten Material in dem komprimierten Bereiche des ersten
Material angeordnet ist.
16. Optisches Element nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,
daß der Elastizitätsmodul des dritten Materials wenigstens
zweimal so groß ist wie der Elastizitätsmodul des
Materials der Basis.
17. Optisches Element nach Anspruch 16, dadurch
gekennzeichnet,
daß das erste Material der Gruppe angehört, die aus Zinksulfid, Zinkselenid, Germanium, Galliumarsenid, Galliumphosphid, Quecksilber-Kadmium-Tellurid, Kadmium-Tellurid und einem ternären Sulfid mit der allgemeinen chemischen Formel MN₂S₄ besteht, worin M ein aus der Gruppe der 1A Elemente ausgewähltes monovalentes Ion, N ein aus der Lanthanid-Reihe der seltenen Erden ausgewähltes divalentes Ion und S das Sulfid-Anion S2- ist,
und daß das dritte Material aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Yttriumoxyd, Scandiumoxyd, Magnesiumoxyd und Mischungen aus Yttriumoxyd, Scandiumoxyd und Magnesiumoxyd besteht.
daß das erste Material der Gruppe angehört, die aus Zinksulfid, Zinkselenid, Germanium, Galliumarsenid, Galliumphosphid, Quecksilber-Kadmium-Tellurid, Kadmium-Tellurid und einem ternären Sulfid mit der allgemeinen chemischen Formel MN₂S₄ besteht, worin M ein aus der Gruppe der 1A Elemente ausgewähltes monovalentes Ion, N ein aus der Lanthanid-Reihe der seltenen Erden ausgewähltes divalentes Ion und S das Sulfid-Anion S2- ist,
und daß das dritte Material aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Yttriumoxyd, Scandiumoxyd, Magnesiumoxyd und Mischungen aus Yttriumoxyd, Scandiumoxyd und Magnesiumoxyd besteht.
18. Optisches Element nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß das dritte Material eine physikalische Dicke t hat,
die gegeben ist durch t = (2N + 1) g/4/n c , worin N eine ganze
Zahl gleich 0, 1, 2, 3, . . ., λ eine spezielle interessierende
Wellenlänge und n c der Brechungsindex der zweiten Materials
bei der Wellenlänge λ bedeuten.
19. Optisches Element nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,
daß die genannten Mittel ferner eine Schicht aus einem
vierten Material umfassen, die über dem dritten Material
angeordnet ist, wobei das vierte Material einen Elastizitätsmodul
hat, der größer ist als der Elastizitätsmodul des
ersten oder des dritten Materials und einen Brechungsindex,
der größer ist als 2,0.
20. Optisches Element nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet,
daß die physikalische Dicke t der zusammengesetzten
Schicht gegeben ist durch t = (2N + 1) g/4/n c , worin N eine
ganze Zahl gleich 0, 1, 2, 3, . . ., λ eine spezielle interessierende
Wellenlänge und n c der Brechungsindex der zweiten
Materials bei der Wellenlänge λ bedeuten.
21. Optisches Element nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet,
daß das erste Material der Gruppe angehört, die aus Zinksulfid, Zinkselenid, Germanium, Galliumarsenid, Galliumphosphid, Quecksilber-Kadmium-Tellurid, Kadmium-Tellurid und einem ternären Sulfid mit der allgemeinen chemischen Formel MN₂S₄ besteht, worin M ein aus der Gruppe 1A, N ein Lanthanid- Element der seltenen Erden und S das Sulfid-Anion S2- ist,
daß das dritte Material aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Yttriumoxyd, Scandiumoxyd, Magnesiumoxyd und Mischungen aus Yttriumoxyd, Scandiumoxyd und Magnesiumoxyd besteht,
und daß das vierte Material aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Hartkohle, Ceriumoxyd, Titanoxyd und Zirkoniumoxyd besteht.
daß das erste Material der Gruppe angehört, die aus Zinksulfid, Zinkselenid, Germanium, Galliumarsenid, Galliumphosphid, Quecksilber-Kadmium-Tellurid, Kadmium-Tellurid und einem ternären Sulfid mit der allgemeinen chemischen Formel MN₂S₄ besteht, worin M ein aus der Gruppe 1A, N ein Lanthanid- Element der seltenen Erden und S das Sulfid-Anion S2- ist,
daß das dritte Material aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Yttriumoxyd, Scandiumoxyd, Magnesiumoxyd und Mischungen aus Yttriumoxyd, Scandiumoxyd und Magnesiumoxyd besteht,
und daß das vierte Material aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Hartkohle, Ceriumoxyd, Titanoxyd und Zirkoniumoxyd besteht.
22. Optisches Element, gekennzeichnet durch
eine Basis, die aus einem ersten Material besteht, das über einen vorbestimmten Wellenlängenbereich eine vorbestimmte optische Durchlässigkeit und einen vorbestimmten Elastizitätmodul besitzt,
und eine Schicht aus einem anderen, zweiten Material mit einem Elastizitätsmodul, der wenigstens zweimal so groß ist wie der Elastizitätsmodul des ersten Materials, und dessen Brechungsindex kleiner ist als 2,0.
eine Basis, die aus einem ersten Material besteht, das über einen vorbestimmten Wellenlängenbereich eine vorbestimmte optische Durchlässigkeit und einen vorbestimmten Elastizitätmodul besitzt,
und eine Schicht aus einem anderen, zweiten Material mit einem Elastizitätsmodul, der wenigstens zweimal so groß ist wie der Elastizitätsmodul des ersten Materials, und dessen Brechungsindex kleiner ist als 2,0.
23. Optisches Element nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet,
daß die Basis aus einem Material besteht, das der Gruppe angehört, die aus Zinksulfid, Zinkselenid, Germanium, Galliumarsenid, Galliumphosphid, Quecksilber-Kadmium-Tellurid, Kadmium-Tellurid und einem ternären Sulfid mit der allgemeinen chemischen Formel MN₂S₄ besteht, worin M ein aus der Gruppe der 1A Elemente ausgewähltes monovalentes Kation, N ein aus der Lanthanid-Reihe der seltenen Erden ausgewähltes Kation und S das Sulfid-Anion S2- ist,
und daß das zweite Material aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Yttriumoxyd, Scandiumoxyd, Magnesiumoxyd und Mischungen aus Yttriumoxyd, Scandiumoxyd und Magnesiumoxyd besteht.
daß die Basis aus einem Material besteht, das der Gruppe angehört, die aus Zinksulfid, Zinkselenid, Germanium, Galliumarsenid, Galliumphosphid, Quecksilber-Kadmium-Tellurid, Kadmium-Tellurid und einem ternären Sulfid mit der allgemeinen chemischen Formel MN₂S₄ besteht, worin M ein aus der Gruppe der 1A Elemente ausgewähltes monovalentes Kation, N ein aus der Lanthanid-Reihe der seltenen Erden ausgewähltes Kation und S das Sulfid-Anion S2- ist,
und daß das zweite Material aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Yttriumoxyd, Scandiumoxyd, Magnesiumoxyd und Mischungen aus Yttriumoxyd, Scandiumoxyd und Magnesiumoxyd besteht.
24. Optisches Element nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schicht aus dem zweiten Material eine physikalische
Dicke t hat, die gegeben ist durch t = (2N + 1) λ/4/n c ,
worin N eine ganze Zahl gleich 0, 1, 2, 3, . . ., λ eine
spezielle interessierende Wellenlänge und n c der Brechungsindex
der zweiten Materials bei der Wellenlänge λ bedeuten.
25. Optisches Element gekennzeichnet durch
eine Basis, die aus einem Material besteht, das über einen vorbestimmten Wellenlängenbereich eine vorbestimmte optische Durchlässigkeit hat, und das einen vorbestimmten ersten Elastizitätsmodul und einen vorbestimmten ersten Brechungsindex hat,
und einen zusammengesetzten Überzug, der über wenigstens einem Teil der Basis angeordnet ist und aus folgenden Teilen besteht:
eine Basis, die aus einem Material besteht, das über einen vorbestimmten Wellenlängenbereich eine vorbestimmte optische Durchlässigkeit hat, und das einen vorbestimmten ersten Elastizitätsmodul und einen vorbestimmten ersten Brechungsindex hat,
und einen zusammengesetzten Überzug, der über wenigstens einem Teil der Basis angeordnet ist und aus folgenden Teilen besteht:
- (i) einer ersten Schicht aus einem Material, dessen Elastizitätsmodul wenigstens zweimal so groß ist wie der Elastizitätsmodul des Materials der Basis und dessen Brechungsindex kleiner ist als der Brechungsindex des Materials der Basis, und
- (ii) einer zweiten Schicht aus einem Material, dessen Elastizitätsmodul wenigstens zweimal so groß ist wie der Elastizitätsmodul des Materials der Basis und dessen Brechungsindex größer ist als 2,0.
26. Optisches Element nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet,
daß die Basis aus einem Material besteht, das der Gruppe angehört, die aus Zinksulfid, Zinkselenid, Germanium, Galliumarsenid, Galliumphosphid, Quecksilber-Kadmium-Tellurid, Kadmium-Tellurid und einem ternären Sulfid mit der allgemeinen chemischen Formel MX₂S₄ besteht, worin M ein aus der Gruppe der 1A Elemente ausgewähltes monovalentes Ion, X ein aus der Lanthanid-Reihe der seltenen Erden ausgewähltes divalentes Ion und S das Sulfid-Anion S2- ist,
daß das Material der ersten Schicht der Gruppe angehört, die aus Yttriumoxyd, Scandiumoxyd, Magnesiumoxyd und Mischungen aus Yttriumoxyd, Scandiumoxyd und Magnesiumoxyd besteht,
und daß das Material der zweiten Schicht aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Hartkohle, Ceriumoxyd, Titanoxyd und Zirkoniumoxyd besteht.
daß die Basis aus einem Material besteht, das der Gruppe angehört, die aus Zinksulfid, Zinkselenid, Germanium, Galliumarsenid, Galliumphosphid, Quecksilber-Kadmium-Tellurid, Kadmium-Tellurid und einem ternären Sulfid mit der allgemeinen chemischen Formel MX₂S₄ besteht, worin M ein aus der Gruppe der 1A Elemente ausgewähltes monovalentes Ion, X ein aus der Lanthanid-Reihe der seltenen Erden ausgewähltes divalentes Ion und S das Sulfid-Anion S2- ist,
daß das Material der ersten Schicht der Gruppe angehört, die aus Yttriumoxyd, Scandiumoxyd, Magnesiumoxyd und Mischungen aus Yttriumoxyd, Scandiumoxyd und Magnesiumoxyd besteht,
und daß das Material der zweiten Schicht aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Hartkohle, Ceriumoxyd, Titanoxyd und Zirkoniumoxyd besteht.
27. Optisches Element nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Schicht eine physikalische Dicke t hat, die gegeben ist durch t = (2N + 1) λ/4/n c 1, worin N eine ganze Zahl gleich 0, 1, 2, 3, . . ., λ eine spezielle interessierende Wellenlänge und n c 1 der Brechungsindex des Materials der ersten Schicht bei der Wellenlänge λ bedeuten,
und daß die physikalische Dicke t der zweiten Schicht gegeben ist durch t = (2N + 1) λ/4/n c 2, worin N eine ganze Zahl gleich 0, 1, 2, 3, . . ., λ eine spezielle interessierende Wellenlänge und n c 2 der Brechungsindex des Materials der zweiten Schicht bei der Wellenlänge λ bedeuten.
daß die erste Schicht eine physikalische Dicke t hat, die gegeben ist durch t = (2N + 1) λ/4/n c 1, worin N eine ganze Zahl gleich 0, 1, 2, 3, . . ., λ eine spezielle interessierende Wellenlänge und n c 1 der Brechungsindex des Materials der ersten Schicht bei der Wellenlänge λ bedeuten,
und daß die physikalische Dicke t der zweiten Schicht gegeben ist durch t = (2N + 1) λ/4/n c 2, worin N eine ganze Zahl gleich 0, 1, 2, 3, . . ., λ eine spezielle interessierende Wellenlänge und n c 2 der Brechungsindex des Materials der zweiten Schicht bei der Wellenlänge λ bedeuten.
28. Verfahren zum Schützen eines aus einem ersten Material
mit einem ersten Elastizitätsmodul bestehenden optischen
Elements gegen Beschädigung durch mit hoher Geschwindigkeit
aufprallende Tropfen,
dadurch gekennzeichnet,
daß über dem zu schützenden Bereich eine Schicht aus
einem zweiten Material angeordnet wird, das einen Elastizitätsmodul
hat, der wenigstens zweimal so groß ist wie der
Elastizitätsmodul des ersten Materials und das sehr widerstandsfähig
ist gegen das Ablösen von dem ersten Material
durch Scherkräfte, die durch radialen Abfluß während des
Tropfenaufpralls verursacht werden.
29. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet,
daß das das optische Element bildende Material der Gruppe angehört, die aus Zinksulfid, Zinkselenid, Germanium, Galliumarsenid, Galliumphosphid, Quecksilber-Kadmium-Tellurid und Kadmium-Tellurid besteht,
und daß das zweite Material aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Hartkohle, Ceriumoxyd, Titanoxyd und Zirkoniumoxyd besteht.
daß das das optische Element bildende Material der Gruppe angehört, die aus Zinksulfid, Zinkselenid, Germanium, Galliumarsenid, Galliumphosphid, Quecksilber-Kadmium-Tellurid und Kadmium-Tellurid besteht,
und daß das zweite Material aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Hartkohle, Ceriumoxyd, Titanoxyd und Zirkoniumoxyd besteht.
30. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß
über der Schicht aus dem zweiten Material wird eine Schicht
aus einem dritten Material angeordnet wird, dessen Elastizitätsmodul
wenigstens zweimal so groß ist wie der Elastizitätsmodul
des ersten Materials und dessen Brechungsindex
größer ist als der Brechungsindex des zweiten Materials.
31. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß
daß das dritte Material aus der Gruppe ausgewählt ist, die
aus Hartkohle, Ceriumoxyd, Titanoxyd und Zirkoniumoxyd
besteht.
32. Verfahren zum festen Verbinden einer Schicht aus Hartkohle
mit einer Basis, die aus einem Material besteht, das
der Gruppe II-V oder der Gruppe III-V angehört, dadurch
gekennzeichnet, daß zwischen der Basis und der Schicht aus
Hartkohle eine erste Schicht angeordnet wird, die aus einem
Material der Gruppe ausgewählt ist, die aus Yttriumoxyd,
Scandiumoxyd, Magnesiumoxyd besteht.
33. Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß
das Material der Gruppe II-V der Gruppe angehört, die aus
Zinksulfid, Zinkselenid, Germanium, Galliumarsenid, Galliumphosphid,
Quecksilber-Kadmium-Tellurid und Kadmium-Tellurid
besteht, und daß das Material III-V der Gruppe angehört, die
aus Galliumarsenid und Galliumphosphid besteht.
34. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß
die Basis, die erste Schicht und die Schicht aus Hartkohle
ein transparentes optisches Element bilden.
35. Verfahren nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß
die erste Schicht eine physikalische Dicke t hat, die
gegeben ist durch t = (2N + 1) λ/4/n c , worin N eine ganze Zahl
gleich 0, 1, 2, 3, . . ., λ eine spezielle interessierende
Wellenlänge und n c der Brechungsindex des Materials der
ersten Schicht bei der Wellenlänge λ bedeuten.
36. Optisches Element gekennzeichnet durch eine Basis, die
aus einem Material mit vorbestimmter optischer Durchlässigkeit
besteht, wobei ein Oberflächenbereich dieses optischen
Materials komprimiert ist und in diesem komprimierten Oberflächenbereich
eine Vielzahl von Furchen vorgesehen ist, und
wobei unter diesen Furchen und zwischen benachbarten Furchen
komprimierte Bereiche des Materials der Basis angeordnet
sind.
37. Optisches Element nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet,
daß die Basis aus einem Material besteht, das der
Gruppe angehört, die aus Zinksulfid, Zinkselenid, Germanium,
Galliumarsenid, Galliumphosphid, Quecksilber-Kadmium-Tellurid,
Kadmium-Tellurid und einem ternären Sulfid mit der
allgemeinen chemischen Formel MN₂S₄ besteht, worin M ein aus
der Gruppe der 1A Elemente ausgewähltes monovalentes Ion, N
ein aus der Lanthanid-Reihe der seltenen Erden ausgewähltes
Kation und S das Sulfid-Anion S2- ist.
38. Optisches Element nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet,
daß der komprimierte Materialbereich eine Dicke von
etwa 3 µm hat.
39. Verfahren zum Hären und Verfestigen der Oberfläche eines
Materials, dadurch gekennzeichnet, daß ein Oberflächenbereich
des Materials komprimiert und dadurch der komprimierten
Schicht eine größere Bruchfestigkeit verliehen wird
als es der Bruchfestigkeit des Ausgangsmaterials entspricht.
40. Verfahren zum Verfestigen der Außenfläche eines optischen
Elements, dadurch gekennzeichnet, die Oberfläche des
optischen Elements mit einem Einspitzen-Werkzeug abgedreht
wird und das optische Element dadurch mit einer komprimierten
Oberflächenschicht versehen wird.
41. Verfahren nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, daß
das Abdrehen mit einem Einspitzen-Diamantwerkzeug durchgeführt
wird.
42. Verfahren nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, daß
das Bearbeiten daraus besteht, daß von dem optischen Element
zunächst eine Oberflächenschicht mit einer Dicke von wenigstens
25 µm abgetragen wird, und daß sodann von der Außenfläche
des optischen Elements ein Oberflächenbereich von
wenigstens 0,25 µm abgetragen wird, um auf der Außenfläche
des optischen Elements in dem genannten Oberflächenbereich
Furchen auszubilden, die durch Bereiche des komprimierten
Materials voneinander getrennt sind.
43. Verfahren nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, daß
das optische Element eine Kuppel, eine Linse, eine Platte
oder ein Fenster ist.
44. Verfahren nach Anspruch 43, dadurch gekennzeichnet, daß
das Material des optischen Elements aus der Gruppe ausgewählt
ist, die aus Zinksulfid, Zinkselenid, Quecksilber-
Kadmium-Tellurid, Kadmium-Tellurid Germanium, Galliumarsenid,
Galliumphosphid, besteht.
45. Verfahren nach Anspruch 44, dadurch gekennzeichnet, daß
das Material der Gruppe angehört, die aus Zinkselenid und
Zinksulfid besteht.
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