DE3720451A1

DE3720451A1 - Schlagfeste und gehaertete optische elemente

Info

Publication number: DE3720451A1
Application number: DE19873720451
Authority: DE
Inventors: Randal W Tustison; Dennis G Montanari; Thomas Varitimos; Bernard Dibenedetto
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1986-06-18
Filing date: 1987-06-19
Publication date: 1988-01-28
Anticipated expiration: 2007-06-20
Also published as: FR2606164A1; FR2605417A1; JPH04362901A; FR2606164B1; DE3720451C2; FR2606165B1; FR2606165A1; JPH0682164B2; JPS62299901A; GB8927705D0; JPH0578001B2; FR2605417B1; GB8713905D0; GB2225449A; GB2225449B; GB2192733B; GB2192733A

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.

Tabelle 1

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.

Tabelle 2

Eigenschaften der Materialien für die Schicht 14

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.

Tabelle 3

Eigenschaften der Materialien für die Schicht 16

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.

Rohschnitt:
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

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

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.

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 S^2- 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 S^2- 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 S^2- 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 S^2- 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 S^2- 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.

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 S^2- 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:

(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 S^2- 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.

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.

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 S^2- 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.