DE3745078C2 - Infrarotdurchlässiges optisches Bauteil und Verfahren zum Verfestigen der Oberfläche eines optischen Bauteils - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein infrarotdurchlässiges optisches Bauteil mit den Merkmalen des Oberbegriffes von Pa­ tentanspruch 1 sowie ein Verfahren zum Verfestigen der Ober­ fläche eines optischen Bauteils.

Die Erfindung betrifft allgemein optische Bauteile und be­ zieht sich im einzelnen auf das Verfestigen optischer Bau­ teile zur Erhöhung ihrer Widerstandsfähigkeit gegen auf­ prallende Teilchen. Optische Bauteile der hier interessie­ renden allgemeinen Art sind aus der DE-OS 34 10 502 bekannt. Zum besseren Verständnis der Erfindung seien folgende allge­ meine Betrachtungen ausgeschickt:

Bekanntlich besitzen bilderzeugende optische Systeme im all­ gemeinen extern montierte optische Elemente, die die übrigen Teile des bilderzeugenden Systems gegen die Umwelt abschir­ men. Bei bilderzeugenden Systemen beispielsweise, die im In­ frarotbereich arbeiten und für Luftfahrzeuge bestimmt sind, ist ein für Infrarotstrahlung transparentes optisches Ele­ ment, zum Beispiel ein Fenster oder eine Kuppel, auf dem Sy­ stem montiert, um die übrigen Teile gegen Feuchtigkeit, Kor­ rosion und Abrieb durch Umwelteinflüsse zu schützen. Wenn das System längere Zeit derartigen Umwelteinflüssen ausge­ setzt ist, verschlechtern sich die optischen und physikali­ schen Eigenschaften des Werkstoffs des optischen Elements. Den schwierigsten Umweltbedingungen sind diese externen Ele­ mente wohl dann ausgesetzt, wenn Wassertropfen mit hoher Ge­ schwindigkeit 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 be­ zeichnet. 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 brü­ chigen Materialien nehmen diese Brüche ihren Ausgang von vorher vorhandenen Mikrorissen, die in der Nähe der Oberflä­ che des optischen Elements liegen. Schäden durch Regen-Ero­ sion 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 Ausbrei­ tung durch das optische Element häufig große Risse in die­ sem. Im Bereich des Risses erfährt die einfallende Infrarot- Strahlung eine Streuung und Brechung, wodurch größere innere Reflexionen und Verluste an Infrarot-Strahlung erzeugt wer­ den. Sobald eine signifikante Anzahl derartiger Risse vor­ handen ist, ist die Durchlässigkeit des optischen Elements stark reduziert. Da die Risse sich durch das optische Ele­ ment ausbreiten, kann außerdem ein völliger Ausfall auftre­ ten. Wenn das optische Element zersplittert oder zerbricht, sind die übrigen Teile des bilderzeugenden Infrarot-Systems direkt den Umweltbedingungen ausgesetzt, was zu einer völli­ gen Zerstörung des Systems führen kann.

Die Materialien, die die beste mechanische Haltbarkeit und die beste optische Leistung für bilderzeugende Infrarot-Sy­ steme, insbesondere im Infrarotband von 8 µm bis 12 µm bie­ ten, sind auf eine kleine Anzahl beschränkt. Geeignete Mate­ rialien sind zum Beispiel Zinksulfid, Zinkselenid, Germa­ nium, Galliumarsenid, Galliumphosphid, Quecksilber-Kadmium- Tellurid und Kadmium-Tellurid. Auch ternäre Sulfid-Materia­ lien, zum Beispiel Kalzium-Lanthan-Sulfid werden derzeit für Infrarot-Anwendungen entwickelt, insbesondere für den Wel­ lenlängenbereich von 8 µm bis 12 µm. Diese ternären Sulfid- Materialien bringen einige Verbesserungen bezüglich der Haltbarkeit, sind jedoch gegen die oben erwähnten Umweltein­ flüsse ebenfalls sehr empfindlich. Im allgemeinen sind sämt­ liche vorgenannten Materialien vergleichsweise brüchig und relativ wenig widerstandsfähig gegen Beschädigung, insbeson­ dere gegen Beschädigung durch mit hoher Geschwindigkeit auf­ prallende Wassertropfen.

Es ist auch bekannt, daß die auf die Oberfläche eines opti­ schen 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 Bre­ chungsindex hat, und dadurch die Reflexionsverluste zu ver­ kleinern. Mit den aufgebrachten Dicken, die im allgemeinen einen Bruchteil der optischen Wellenlänge betragen, sind diese Überzüge im Infrarot-Bereich durchlässig. Bisher die­ nen solche optischen Überzüge jedoch lediglich zur Verringe­ rung der Reflexionsverluste, die durch das Mißverhältnis der Brechungsindizes verursacht werden. Sie wurden hingegen noch nicht dazu benutzt, die Schlagfestigkeit des optischen Ele­ ments zu vergrößern.

Es ist bekannt, daß eine auf Germanium aufgebrachte Schicht aus Hartkohle, d. h. eine Kunststoffschicht, die diamantähn­ liche Bindungen hat und im wesentlichen optisch durchlässig ist, das aus Germanium bestehende optische Element in gewis­ sem Umfang gegen die durch Regen-Erosion verursachten Schä­ den schützt. Hartkohlen-Beschichtungen auf Germanium sind beschrieben in der Literaturstelle "Liquid Impact Erosion Mechanisms 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 Hart­ kohlen-Oberflächen haften nicht gut an anderen für Infra­ rotanwendungen geeigneten Materialien, wie zum Beispiel Zinksulfid und Zinkselenid. Selbst Hartkohle-Beschichtungen auf Germanium, wie sie in der erwähnten Literaturstelle be­ schrieben sind, können sich lösen, wenn Wassertropfen mit hoher Geschwindigkeit aufprallen. Es wurde theoretisch fest­ gestellt, 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 Aufprall­ schutz für das optische Element ergeben hätten, wegen des vorerwähnten Ablösungsproblems nicht erfolgreich. Ein wei­ teres Problem mit Hartkohle-Schichten besteht darin, daß der Brechungsindex von Hartkohle etwa 2,45 beträgt und damit we­ sentlich höher ist als der Brechungsindex vieler der oben erwähnten optischen Materialien, wie zum Beispiel Zinksulfid und Zinkselenid. Daraus ergibt sich, daß die Reflexionsver­ luste auf der Einstrahlungsfläche des mit einer Hartkohle- Schicht versehenen optischen Elements größer sind als bei fehlender Beschichtung.

Ein drittes Problem betrifft die Bruchfestigkeit dieser Ma­ terialien. Die meisten Materialien, die sich als für Infra­ rot-Strahlung transparente Fenster, insbesondere im Wellen­ bereich von 8 µm bis 12 µm eignen, haben niedrige Bruchfe­ stigkeiten. 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 Li­ teraturstelle "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) auf Seite 2481 wurde theoretisch festgestellt, daß Martensit-Anlassen (Phasenänderungen) an der Oberfläche des brüchigen Materials bei dem Härten derartiger brüchiger Materialien von Nutzen sein kann. Es wurde auch theoretisch festgestellt, daß Ober­ flächen-Kompressionsbeanspruchungen günstige Auswirkung ha­ ben können. Die Autoren geben jedoch keine spezielle Be­ schreibung dessen, was sie unter "Oberflächenkompression" verstehen. Diese brüchigen Materialien erfahren Oberflächen­ kompression, wenn ankommende Wassertropfen auf die Oberflä­ che des Materials aufprallen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein infrarotdurch­ lässiges optisches Bauteil zu schaffen, welches hohe Wider­ standsfähigkeit gegen Beanspruchungen und Belastungen, ins­ besondere gegen mit hoher Geschwindigkeit erfolgenden Trop­ fenaufprall aufweist und hohe optische Qualitäten zeigt und auch unter Beanspruchungen beibehält.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des An­ spruches 1 gelöst. Die Erfindung umfaßt auch ein Verfahren zur Verfestigung der Oberfläche von optischen Bauteilen, insbesondere bei der Herstellung von infrarotdurchlässigen Bauteilen der hier angegebenen Art. Vorteilhafte Ausgestal­ tungen und Weiterbildungen sind in den dem Anspruch 1 nach­ geordneten Patentansprüchen gekennzeichnet.

Gemäß einer Ausführungsform umfaßt ein schlagfestes, gehär­ tetes optisches Bauteil eine Basisschicht aus einem opti­ schen Material mit einer vorgegebenen ursprünglichen Bruch­ festigkeit. 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 auftreten, und verhindert ihre Ausbreitung durch die Oberfläche des optischen Ele­ ments. Die komprimierten Bereiche tendieren dazu, diese Mi­ krorisse zu verschließen und verhindern damit ihre Ausbrei­ tung infolge der Spannungswellenkomponenten, so daß letztere verringert oder kompensiert werden. Durch die Verringerung dieser Komponenten der Spannungsbeanspruchung wird der Scha­ den durch Wassertropfen-Aufprall auf die Oberfläche des op­ tischen Bauteils verringert. Das relativ brüchige Material wird mit einer gehärteten Oberfläche versehen, die gegen Re­ gen-Erosion resistent ist. Diese gehärtete Oberfläche ver­ größert gleichzeitig die Bruchfestigkeit des optischen Ele­ ments.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist ein optisches Bau­ teil vorgesehen, das zur Erhöhung seiner Widerstandsfähig­ keit gegen mit hoher Geschwindigkeit aufprallende Teilchen gehärtet ist und eine aus einem optischen Material beste­ hende Basis aufweist, die auf einer Oberfläche eine kompri­ mierte Schicht eben dieses Materials besitzt. Die kompri­ mierte Materialschicht enthält eine Vielzahl von in ihr an­ geordneten Furchen, die durch benachbarte Bereiche des kom­ primierten Materials voneinander getrennt sind, wobei unter­ halb dieser Furchen ebenfalls Teile der komprimierten Mate­ rialschicht 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 bis 1000 nm und eine Breite von 0,01 bis 0,02 mm. Durch eine derartige Anordnung entsteht ein gehärtetes optisches Element, das äußerst wi­ derstandsfähig ist gegen Beschädigung durch mit hoher Ge­ schwindigkeit aufprallende Teilchen.

Bei einem Verfahren zum Härten eines optischen Bauteils wird dieses 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.

Das Bearbeiten kann mit einem Einspitzen-Werkzeug derart er­ folgen, 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, wäh­ rend ein Einspitzen-Diamantwerkzeug mit der Oberfläche des rotierenden optischen Elements in Kontakt gebracht wird, wo­ bei dieses Werkzeug mit einer vorbestimmten Vorschubge­ schwindigkeit quer über die Oberfläche des optischen Ele­ ments geführt wird, bis die erwähnte komprimierte Schicht erzeugt ist. Durch ein solches Bearbeiten der Oberfläche des optischen Elements entsteht eine komprimierte Material­ schicht. Diese bewirkt ein Härten des optischen Elements und trägt dazu bei, daß Beschädigungen durch mit hoher Geschwin­ digkeit aufprallende Tropfen verhindert werden, indem die oberflächennahen Spannungskräfte, die von diesem Tropfenauf­ prall verursacht werden, gemildert und verringert werden. Eine andere Weiterbildung der Erfindung hat ein schlagfestes gehärtetes optisches Element zum Gegenstand, das eine Basis­ schicht aus einem optischen Material mit einer vorgegebenen Anfangsbruchfestigkeit und einem vorbestimmten ersten Ela­ stizitätsmodul aufweist. Über der Basismaterialschicht be­ findet sich eine komprimierte Schicht aus optischem Mate­ rial. Die komprimierte Materialschicht besitzt eine Gesamt­ dicke, die klein ist im Vergleich zur Dicke des optischen Materials und im Bereich von 1 µm bis 3 µm liegt. Über die­ ser komprimierten Schicht ist eine Schicht aus einem zweiten Material angebracht, das einen zweiten, höheren Elastizi­ tätsmodul 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 Kombina­ tion 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 Ge­ schwindigkeit entstehen können. Darüberhinaus mildert die komprimierte Materialschicht die Auswirkungen der Spannungs­ wellenkomponenten beim Aufprall von Tropfen. Damit entsteht durch die Kombination der beiden Verfahren ein optisches Element mit wesentlich verbesserter Schlag- und Bruchfestig­ keit.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele anhand der Zeich­ nungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt eines Teils einer Kuppel als optisches Bauteil der vorliegenden Art;

Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Oberflächenteils der Kuppel von Fig. 1,

Fig. 3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht ei­ nes Regentropfens, der auf die Oberfläche eines herkömmlichen optischen Elements mit einem mi­ kroskopisch kleinen Fehler aufprallt,

Fig. 4 zeigt eine schematische Querschnittsansicht ei­ nes Wassertropfens, der auf eine komprimierte Schicht gemäß einer Ausführungsform der Erfin­ dung aufprallt,

Fig. 5 zeigt eine vergrößerte Ansicht des auf die kom­ primierte Schicht aufprallenden Tropfens gemäß Fig. 4.

Fig. 6A und 6B zeigen Mikrophotographien einer in herkömmlicher Weise polierten Kuppeloberfläche einerseits und einer Kuppeloberfläche, die einem erfindungsge­ mäßen Härtungsverfahren unterzogen wurde,

Fig. 7 zeigt Kurven der Knoop-Härtezahlen in Abhängig­ keit von der Belastung für eine polierte ZnS- Oberfläche und eine gehärtete ZnS-Scheibenober­ fläche,

Fig. 8 zeigt eine Kurve der typischen Härtedifferenz (Knoop) in Abhängigkeit von der Eindringtiefe in die komprimierte Oberfläche der gehärteten ZnS- Scheibe,

Fig. 9A und 9B zeigen Mikrophotographien einer in herkömmlicher Weise polierten Oberfläche einer ZnS-Linse bzw. einer erfindungsgemäß gehärteten ZnS-Linse je­ weils, nachdem sie einem simulierten Regenfeld ausgesetzt waren,

Fig. 10A und 10B zeigen Mikrophotographien einer in herkömmli­ cher Weise polierten und geläppten ZnS-Linse bzw. einer erfindungsgemäß gehärteten und ge­ läppten ZnS-Linse; diese Mikrophotographien ver­ anschaulichen die durch die komprimierte Schicht verursachte Verformung,

Fig. 11 zeigt einen Querschnitt eines Teils eines opti­ schen Elements, zum Beispiel einer Platte oder einer Kuppel mit einer komprimierten Schicht aus optischem Material und einer Überzugsschicht ge­ mäß einer Weiterbildung der Erfindung.

In den Fig. 1 bis 4 ist ein Teil eines optischen Bauteils in Form einer Kuppel 110 dargestellt. Es umfaßt eine Schicht 112, die aus einem Material mit vorbestimmten optischen Ei­ genschaften besteht. Obwohl das optische Bauteil hier bei­ spielhaft die Form einer Kuppel hat, gelten die folgenden Ausführungen auch für andere Arten von optischen Bauteilen, zum Beispiel Fenster, Platten, Linsen usw. Die Dicke der Ba­ sisschicht 112 ist mindestens 0,125 cm, im allgemeinen 0,25 cm bis 1,25 cm. Das optische Bauteil kann ausgewählte optische Eigenschaften haben, es kann zum Beispiel aus einem Material bestehen, das für optische Strahlung im infraroten, sichtba­ ren oder ultravioletten Spektralbereich transparent ist. Das Material des optischen Bauteils kann ein Isolator oder ein Halbleiter sein. Beispiele für bevorzugte Materialien für optische Bauteile von Bildsystemen für den Infrarotbereich umfassen Silicium, Germanium, Galliumarsenid, Galliumphos­ phid, Quecksilber-Kadmium-Tellurid, Kadmium-Tellurid, Zink­ sulfid, Zinkselenid oder eines der ternären Sulfide der all­ gemeinen Form MN₂S₄, worin M ein einwertiges 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 Infra­ rotbandes. Diese Materialien sind im allgemeinen sehr brü­ chig und recht formsteif und haben einen Elastizitätsmodul im Bereich von 3,5_*10⁶ Ncm^-2 bis 10⁷ Ncm^-2. Sie sind je­ doch 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 ver­ formte, komprimierte Schicht 114 (Fig. 2), die über der Oberfläche 112a des optischen Bauteils 110 angeordnet ist. Die Schicht 114 ist vorzugsweise ein Teil des Materials der Schicht 112. Wie genauer in Fig. 2 erkennbar ist, besitzt die Schicht 114 eine Vielzahl von Furchen oder Nuten 113, wobei benachbarte Exemplare dieser Furchen oder Nuten 113 durch komprimierte Bereiche 113a des Materials der Schicht 112 von einander beabstandet sind, und unter den Furchen eine komprimierte Schicht 113b angeordnet ist. Das Ausmaß, in welchem die Schicht 114 komprimiert ist, ist eine Funk­ tion der Größe der Druckkräfte, die während der Behandlung der Kuppel 110 auftreten. Dies wird weiter unten im einzel­ nen beschrieben.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 3 und 4 sei der Mechanismus erläutert, durch den die Schicht 114 die Kuppel 110 ver­ stärkt und gegen Beschädigung durch mit hoher Geschwindig­ keit aufprallendes Wasser oder mechanischer Belastung schützt.

In Fig. 3 ist eine in herkömmlicher Weise polierte Oberflä­ che 112a mit einem Wassertropfen 115 dargestellt. Dieser be­ sitzt eine resultierende Geschwindigkeit V₀ senkrecht zu der Fläche 112a, wenn er auf diese auftrifft. In der Oberfläche 112a 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 Oberflä­ chen-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 Ba­ sis 112 des optischen Bauteils 110 ausbreiten. Wenn eine hinreichend große Anzahl derartiger Spalte vorhanden ist, wird die optische Transparenz des Elements aufgrund innerer Reflexionen und Brechung im Bereich des Spalts erheblich verringert. Noch schwerwiegender ist die Tatsache, daß das optische Bauteil splittern oder brechen kann und damit die übrigen Teile des (nicht dargestellten) optischen Systems schwerster Beschädigung aussetzt, wenn genügend viele derar­ tige Spalte vorhanden sind.

Aus den Fig. 4 und 5 ist erkennbar, daß die zuvor exi­ stierenden Mikrorisse 116 in der Basis 112 durch Material­ kompression im Bereich 114 geheilt werden, wenn erfindungs­ gemäß eine komprimierte Schicht 114 über der Kuppel 110 an­ geordnet ist. Bei der Herstellung der komprimierten Schicht 114 werden entgegengesetzte Druckkräfte 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 ange­ deutet, noch unter Kompression, die auf das Material im Be­ reich 113b 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 Verkleine­ rung der Mikrorisse größer geworden ist. Außerdem bleibt das Material nach dem Anbringen der Furchen 113 komprimiert, und die verkleinerte Spannungskomponente 118′, die bei dem Mi­ kroriß 117 entsteht, breitet sich nicht durch die Druck­ schicht 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 Druck­ schicht 114 die Geschwindigkeitsschwelle, bei der durch das Aufprallen Schaden entsteht, auf zwei Arten: Zum einen ver­ ringert sie allgemein die Ausdehnung der in dem Material vorhandenen Mikrorisse und sorgt damit bei gegebener Auf­ prallgeschwindigkeit der Wassertropfen für eine kleiner re­ sultierende 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 "Roh­ schnitt" werden die Bearbeitungsparameter so gewählt, daß wesentliche Mengen des Materials 119 abgetragen werden (Fig. 2). 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. 2 dargestell­ ten verfestigten Schicht 114 sind die folgenden:

Die Furchen 113 können eine Breite w_f von typisch 0,01 mm bis 0,02 mm haben. Die Seitenwandungsabschnitte 113a haben im allgemeinen eine Höhe h_f von 1 nm bis 1000 nm.

Typische Bearbeitungsparameter, die sich zur Bearbeitung ei­ ner Schicht 114 in Ein-Zoll-Zinksulfid-Scheiben als brauch­ bar erwiesen haben, sind folgende:

Brauchbare Parameter zur Erzeugung von Druck-Oberflächen­ schichten bei maschineller Bearbeitung mit einer Spitze.

Rohschnitt:
Schnittiefe = 0,0075 cm
Rotationsgeschwindigkeit = 750 Umdrehungen/Minute
Vorschubgeschwindigkeit = 1,25 cm/Minute
Werkzeugradius = 0,32 cm

Endschnitt:
Schnittiefe = 0,0005 cm
Rotationsgeschwindigkeit = 550 Umdrehungen/Minute
Vorschubgeschwindigkeit = 0,6 cm/Minute
Werkzeugradius = 0,32 cm

Es wurden sechzig Proben von Zinksulfid-Scheiben entspre­ chend dem vorliegenden Verfahren hergestellt. Die an diesen Scheiben gemessenen mechanischen Parameter waren die Knoop- Mikrohärte (Kg/mm²) und die Bruchfestigkeit. Die Bruchfe­ stigkeit betrug im allgemeinen wenigstens etwa 13 500 N/cm² und war damit größer als die Bruchfestigkeit (10 700) her­ kömmlicher polierter Proben. Dementsprechend liefert dieses Verfahren eine Vergrößerung der Bruchfestigkeit von etwa 25%.

Wie aus den Fig. 6A und 6B hervorgeht, ist die in her­ kömmlicher Weise polierte Oberfläche im wesentlichen glatt, gleichförmig und ohne besondere Struktureigenschaften, wäh­ rend die erfindungsgemäß zubereitete Oberfläche Furchen oder Nuten mit im wesentlichen regelmäßigem Abstand aufweist.

In den Fig. 7 und 8 sind typische Mikrohärte-Kurven dar­ gestellt, und zwar sind die Knoop-Härtezahlen über der Bela­ stung aufgetragen, einmal für in herkömmlicher Weise po­ lierte Zinksulfidscheiben und zum anderen für Zinksulfid­ scheiben mit der komprimierten Schicht 114. Für Belastungen von 20 g und weniger sind die Knoop-Härtezahlen für Scheiben mit der Schicht 114 im allgemeinen um zwischen 50 und 100 größer als die Knoop-Härtezahlen für in herkömmlicher Weise polierte Scheiben. Außerdem zeigt die in Fig. 8 darge­ stellte Kurve, in der die als Differenz der Knoop-Härtezah­ len ausgedrückte Härtedifferenz als Funktion der Eindring­ tiefe in die Druckschicht 114 dargestellt ist, ein signifi­ kantes Anwachsen der Härte für Eindringtiefen von 2 Mikron oder weniger. Durch Extrapolation dieser Daten läßt sich folgern, daß der Härteeffekt auf einen Oberflächenbereich von 3 Mikron der bearbeiteten Proben beschränkt ist. Ein Vergleich der Fig. 9A und 9B, in denen auf herkömmliche Weise polierte und mit einer Diamantspitze bearbeitete Zink­ sulfidplatten einander gegenüber gestellt sind, nachdem sie fünf Minuten bei 450 Meilen pro Stunde einem simulierten Re­ genschauer mit 25 mm pro Stunde und einem Tropfendurchmesser von 2 mm ausgesetzt waren, zeigt, daß die herkömmlich po­ lierte Probe signifikant stärkere Schäden aufweist, die vor­ wiegend aus unter der Oberfläche liegenden Brüchen bestehen. Demgegenüber ist die Beschädigung der Platte mit komprimier­ ter Schicht, die durch Bearbeitung einer Zinksulfidprobe mit einer einzelnen Diamantspitze erhalten wurde, wesentlich kleiner (Fig. 9B). Ein Vergleich der Fig. 10A und 10B zeigt, daß die Schicht 13 eine komprimierte Schicht aus op­ tischem Material ist. Zwei Linsenrohlinge aus Zinksulfid aus demselben Los von Zinksulfidmaterial wurden poliert. Die Oberfläche einer Linse wurde mit Hilfe herkömmlicher Polier­ verfahren optisch eben poliert, während die Oberfläche der anderen Linse erfindungsgemäß eben bearbeitet wurde. An­ schließend wurde jede Probe mit der Fläche nach unten auf einem Läppkissen montiert und von einer Dicke von etwa 0,5 cm auf eine Dicke von 0,025 cm und eine Ebenheit von einer viertel Wellenlänge im sichtbaren Spektrum quer zur geläpp­ ten Oberfläche gebracht. Beim Herunternehmen von den Läpp­ scheiben verformten sich die Proben etwas. Diese Verformung ist in den Interferenzbildern der Fig. 10A und 10B darge­ stellt. Wie in Fig. 10A erkennbar ist, war die Verformung der in üblicher Weise polierten Probe minimal, was zu einer unregelmäßigen Oberfläche führte. Aus Fig. 10B ist erkenn­ bar, daß bei der Probe mit der erfindungsgemäß vorgesehenen komprimierten Schicht 114 die Verformung so stark war, daß sie mit dem Interferometer nicht gemessen werden konnte. Außerdem verformte sich die Probe nach dem Ablösen von Läpp­ kissen 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. 10A) im we­ sentlichen keine Druckspannung erzeugt wird, während die in Fig. 10B dargestellte Probe mit einer hochkomprimierten Schicht 114 versehen war. Der Radius der konkaven Oberfläche wurde optisch an der Oberfläche der bearbeiteten Probe (Fig. 10B) benutzt. Die auf den Krümmungsradius (R) der Ober­ fläche bezogene Druckspannung (S) war durch folgende Glei­ chung gegeben:

worin E der Young-Modul, der als 7,45_*10⁶N/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 komprimierten Schicht 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 Ergeb­ nis der Ausbildung einer komprimierten Oberflächenschicht auf dem Zinksulfid-Rohling während der oben beschriebenen Arbeitsgänge. Durch geeignete Auswahl der Bearbeitungspara­ meter wie Werkzeuggeschwindigkeit, Werkzeugtyp, Schnittiefe, Zuführungsgeschwindigkeit, Werkzeugwinkel usw. läßt sich deshalb die Größe der auf der Zinksulfid-Oberfläche erzeug­ ten Druckschicht auswählen und damit der Grad der Verfesti­ gung/Härtung des Zinksulfids steuern.

In Fig. 11 ist ein Teil eines optischen Elements darge­ stellt, 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. 4 bis 10 beschrieben wurde. Über der komprimierten Schicht 114 ist eine Überzugsschicht 11 angeordnet, die entweder aus der erwähnten Einzelschicht oder einem mehrschichtigen Überzug besteht. Man kann davon ausgehen, daß mit dieser besonderen Anordnung, die die ge­ steigerte Härte und Widerstandsfähigkeit gegen Regen-Erosion der beiden oben beschriebenen Verfahren aufweist, ein opti­ sches Element zur Verfügung steht, das insgesamt wesentlich verbesserte Bruchfestigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Regen-Erosion besitzt.

Während die Basis oder die Basisschicht 12 mit der kompri­ mierten Schicht 114 aus Zinksulfid, Zinkselenid, Germanium, Galliumarsenid, Galliumphosphid, Quecksilber-Kadmium-Tellu­ rid, Kadmium-Tellurid oder einem ternären Sulfid mit der allgemeinen chemischen Formel MN₂S₄ bestehen kann, worin M ein aus der Gruppe 1A-Elemente ausgewähltes einwertiges Ion, N ein aus der Lanthanid-Reihe der seltenen Erden ausgewähl­ tes Kation und S das Sulfid-Anion S^2- ist, kann die Über­ zugsschicht 11 von einer einzigen Schicht oder von einem Schichtenverband gebildet sein. Handelt es sich um eine ein­ zige Überzugsschicht, so sind bevorzugte Werkstoffe hierfür Yttriumoxid, Scandiumoxid, Magnesiumoxid oder Mischungen aus Yttriumoxid, Scandiumoxid und Magnesiumoxid. Ist über einer solchen Überzugsschicht eine weitere Schicht angeordnet, so daß ein Überzugs-Schichtenverband entsteht, so sind bevor­ zugte Materialien für die weitere Überzugsschicht Hartkohle oder Ceroxid oder Titanoxid oder Zirkonoxid.

Die Dicken t der Überzugsschicht wird, wenn es sich um eine Einzelschicht handelt, so bemessen, daß sie folgender Glei­ chung genügt

t = (2N+2) λ 1/4/n_c,

worin N eine ganze Zahl, λ eine spezielle interessierende Wellenlänge und n_c den Brechungsindex der Schicht bei der Wellenlänge λ bedeuten, während im Falle eines Überzugs­ schichtenverbandes in der genannten Gleichung entweder die Dicke des gesamten Schichtenverbandes nach vorstehend ge­ nannter Gleichung errechnet wird, in dem bei im übrigen gleichen Bedeutungen der Brechungsindex n_c derjenige der zu­ sammengesetzten Schicht bei der Wellenlänge λ ist oder aber jede einzelne Schichtdicke t nach der vorstehend angegebenen Gleichung unter Einsatz des für das betreffende Schichtenma­ terial geltenden Brechungsindex n_c berechnet wird. In dieser Weise ist auch bei einer Anzahl von mehr als zwei Schichten des Überzugs-Schichtenverbandes zu verfahren.

Hat die Basis oder die Basisschicht 12 des optischen Bau­ teils nach Fig. 11, etwa bei Verwendung der zuvor angegebe­ nen Materialien hierfür, einen Brechungsindex von über 2,0, so wählt man für die an diese Schicht angrenzende Überzugs­ schicht einen Brechungsindex von unter 2,0. Eine weiterhin darüber gebreitete Überzugsschicht, etwa aus Hartkohle, kann dann wiederum einen über 2,0 liegenden Brechungsindex auf­ weisen.

Eine zwischen der Basis oder Basisschicht 12 des Bauteils nach Fig. 11 befindliche Überzugsschicht kann gegenüber auf einer wiederum auf dieser befindlichen Schicht, beispiels­ weise aus Hartkohle, als Haftungsvermittlerschicht zum Ba­ sismaterial hin wirken.

Bezüglich des Elastizitätsmoduls der verwendeten Materialien ist festzustellen, daß auf der Basis oder der Basisschicht 12 befindliche Schichten vorzugsweise einen Elastizitätsmo­ dul von mehr als dem doppelten des Elastizitätsmoduls des Basismaterials haben.

Claims (19)

1. Infrarotdurchlässiges optisches Bauteil mit einer Basis aus einem ersten Material und einer darauf befindlichen Schicht zur Vergrößerung der Widerstandsfähigkeit der Basis gegen Beschädigungen aufgrund Tropfenaufprall, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht zur Vergröße­ rung der Widerstandsfähigkeit gegen Beschädigung auf­ grund Tropfenaufprall aus einem Bereich eines kompri­ mierten Materials besteht.

2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich aus komprimiertem Material eine kompri­ mierte Schicht des ersten Materials ist.

3. Bauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die komprimierte Schicht eine Mehrzahl von in einem Oberflächenbereich dieser Schicht angeordneten Furchen aufweist, wobei unterhalb dieser Furchen und zwischen benachbarten Furchen sich komprimierte Schichtbereiche des ersten Materials befinden.

4. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das erste Material von einem der Werkstoffe Zinksulfid, Zinkselenid, Germanium, Gallium­ arsenid, Galliumphosphid, Quecksilber-Kadmium-Tellurid, Kadmium-Tellurid oder einem ternären Sulfid mit der allgemeinen chemischen Formel MN₂S₄ gebildet ist, worin M ein aus der Gruppe 1A des Periodensystems ausgewähltes Kation, N aus der Lanthanid-Reihe der seltenen Erden ausgewähltes Kation und S das Sulfid-Anion S^2- ist.

5. Bauteil nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Furchen eine Tiefe im Bereich von 1 nm bis 1 µm haben und eine Breite aufweisen, die etwa im Bereich von 0,01 mm bis 0,02 mm liegt.

6. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sich auf der Schicht aus einem kom­ primierten Material eine Schicht aus einem weiteren Ma­ terial befindet, das einen höheren Elastizitätsmodul hat als das erste Material.

7. Bauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich komprimierten Materials Bestandteil der Ba­ sis ist und daß die Schicht aus dem weiteren Material sich in dem komprimierten Bereich des ersten Materials befindet.

8. Bauteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Elastizitätsmodul des weiteren Materials wenigstens doppelt so groß ist wie der Elastizitätsmodul des er­ sten Materials.

9. Bauteil nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das weitere Material von einem der Werkstoffe Yttriumoxid, Scandiumoxid, Magnesiumoxid und Mischungen aus Yttriumoxid, Scandiumoxid und Magne­ siumoxid gebildet ist.

10. Bauteil nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sich über der Schicht aus dem weite­ ren Material eine Schicht aus einem dritten Material befindet, welches einen Elastizitätsmodul aufweist, der größer ist als der Elastizitätsmodul des ersten Mate­ rials oder des weiteren Materials, und das einen Bre­ chungsindex hat, der größer ist als derjenige des wei­ teren Materials, insbesondere größer als 2,0.

11. Bauteil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die physikalische Dicke t der auf der Basis befindli­ chen zusammengesetzten Schichten gegeben ist durch fol­ gende Gleichung worin N eine ganze Zahl, λ eine spezielle interessie­ rende Wellenlänge und n_c der Brechungsindex der zusam­ mengesetzten Schichten bei der Wellenlänge λ bedeuten.

12. Bauteil nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeich­ net, daß das dritte Material aus einem der Werkstoffe Hartkohle, Ceroxid, Titanoxid oder Zirkonoxid besteht.

13. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der komprimierte Materialbereich eine Dicke von 3 µm hat.

14. Verfahren zum Verfestigen der Oberfläche eines opti­ schen Bauteils insbesondere bei der Herstellung von Bauteilen nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Oberflächenbereich des Mate­ rials des Bauteils komprimiert und so mit erhöhter Bruchfestigkeit versehen wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des optischen Bauteils mit einer Werk­ zeugspitze derart abgedreht wird, daß eine Oberflächen­ schicht komprimiert wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Abdrehen mit einem Einspitzen-Diamantwerkzeug durchgeführt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitung in der Weise erfolgt, daß von dem opti­ schen Bauteil zunächst eine Oberflächenschicht mit ei­ ner Dicke von wenigstens 25 µm abgetragen wird und daß sodann von der Außenfläche des optischen Bauteils ein Oberflächenbereich von wenigsten 2,5 µm abgetragen wird, um auf der Außenfläche in dem genannten Oberflä­ chenbereich Furchen auszubilden, die durch Bereiche des komprimierten Materials voneinander getrennt sind.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß als optisches Bauteil eine Kuppel, eine Linse, eine Platte oder ein Fenster bearbeitet wird.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für das optische Bauteil Zinksulfid oder Zinkselenid oder Quecksilber-Kadmium-Tellurid oder Kad­ mium-Tellurid oder Germanium oder Galliumarsenid oder Galliumphosphid verwendet wird.