DE69724423T2

DE69724423T2 - Infrarotfilter

Info

Publication number: DE69724423T2
Application number: DE69724423T
Authority: DE
Inventors: Trevor Cheriton Bishop COOK; Adrian Taunton SAUNDERS
Original assignee: Plowden & Thompson Ltd; Thales Optronics Taunton Ltd
Current assignee: Plowden & Thompson Ltd; Thales Optronics Taunton Ltd
Priority date: 1996-06-08
Filing date: 1997-06-06
Publication date: 2004-06-09
Anticipated expiration: 2017-06-07
Also published as: GB9612027D0; EP0902902B1; WO1997047994A3; DE69724423D1; WO1997047994A2; ATE248380T1; US6252702B1; JP2000511868A; AU3040097A; EP0902902A2; AU728653B2

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Phosphatglas zur Verwendung als Infrarot (IR)-Filter und auf ein Verfahren zum Erzeugen desselben, und sie ist insbesondere, aber nicht ausschließlich, auf Filter gerichtet, die in Außenleuchten für Flugzeuge, Schiffe und Ähnlichem verwendet werden.
HINTERGRUND
Flugzeugbeleuchtung, gleichgültig ob am Zivil- oder Militärflugzeug angebracht, umfasst im Allgemeinen Navigationslichter an den Flügelspitzen (rot für Backbord und grün für Steuerbord) und weiße Hecklichter. Außerdem sind Hochleistungs-Antikollisions-Stroboskoplichter an der Spitze und an der Rumpfunterseite angebracht.
Mit Hilfe strenger Vorschriften sind die Farbe und die Intensität von Flugzeugleuchten geregelt. Im Vereinigten Königreich ist die Zivile Luftfahrtbehörde ("CAA") verantwortlich dafür, sicherzustellen, dass sich alle Flugzeuge an die Vorschriften halten. Beispielsweise müssen zumindest in Bezug auf die zivile Luftfahrt die roten und grünen Lichter an den Flügelspitzen in vorgeschriebene Farbbandbreiten fallen, so dass ein Flugzeug, dessen Leuchten eine orange oder eine blaue Farbe anstelle von rot und grün emittieren, die CAA-Vorschriften nicht erfüllt und ihm daher eine Lizenz verweigert wird.
Obwohl Militärflugzeuge von diesen Vorschriften befreit sind, ist es selbstverständlich wünschenswert, dass Lichter an Militärflugzeugen so eng wie möglich den spezifizierten Standards entsprechen.
Um die Sicht bei geringem Licht zu verbessern, ist es jetzt für Piloten üblich, beim Fliegen Nachtsicht-Brillen zu tragen. Diese Brillen sind mit einem Filter ausgestattet, um Licht im sichtbaren Spektrum auszuschließen, und sie funktionieren, indem sie Strahlung im infraroten ("IR") Bereich (650 nm bis 1000 nm) detektieren. Um bei unterschiedlichen Lichtstärken ein gutes Ausgangsbild aufrechtzuerhalten, sind die Brillen im Allgemeinen mit einer automatischen Verstärkungsregelung versehen.
Während die automatische Verstärkungsregelung unter den meisten Bedingungen zufriedenstellend funktioniert, kann sie dann nicht ausgleichen, wenn ein sehr helles, stark leuchtendes Licht in das Sichtfeld einfällt. Eine derartige Situation tritt beispielsweise ein, wenn sich der Pilot bei Nacht einem anderen Flugzeug nähert, und das führt dazu, dass das Ausgangsbild sehr hell wird und gelegentlich der gesamte Bildschirm "weiß gefärbt" ist.
Dass die Brillen bei Nacht nicht mit hellen, leuchtenden Lichtern zurechtkommen können, kann es dem Piloten deshalb erschweren, andere Flugzeuge in der Nähe genau zu orten, und schlimmstenfalls kann dies den Piloten vorübergehend blenden. Es sollte klar sein, dass sich in derartigen Fällen beide Flugzeuge in einer äußerst gefährlichen Lage befinden können.
Auf der anderen Seite ist es dann, wenn andere Flugzeuge deutlich sichtbar und als solche so erkennbar bleiben sollen, wie wenn sie durch die Nachtflug-Brille betrachtet werden, bevorzugt, dass mindestens ein gewisser Anteil an IR-Strahlung von den Lichtern abgegeben werden kann. Mit anderen Worten: Im Idealfall sollte der Anteil an IR-Strahlung unterdrückt werden, aber nicht vollständig fehlen.
Es sollte klar sein, dass es ein empfindliches Gleichgewicht ist, das zwischen dem Filtern von ausreichend IR-Strahlung, um ein vorübergehendes Blenden des Piloten zu vermeiden, und dem Durchlassen von genügend IR-Strahlung gehalten werden muss, damit der Pilot die Lichter an anderen Flugzeugen in der Nähe erkennen kann.
Soweit der Anmelder weiß, hat bisher niemand die Intensität der IR-Durchlässigkeit quantitativ bestimmen können, die die voranstehenden Kriterien erfüllt. Fachleute auf dem Gebiet erkennen jedoch, wenn ein geeignetes Gleichgewicht erreicht ist. In diesem Zusammenhang wird das Gleichgewicht als ungefähr richtig eingestellt betrachtet, wenn der Effekt um jedes Flugzeuglicht, durch die Brille betrachtet, einem "Fußball" gleicht. Dieses Phänomen ist der gemeinhin verwendete Indikator, mit dem der optimale IR-Durchlässigkeitsgrad eingeschätzt wird.
Während die voranstehend beschriebenen Probleme äußerst wichtig für Piloten sind, die in der Nähe anderer Flugzeuge fliegen, ist es natürlich auch wichtig, dass Piloten bei schlechter Sicht andere Strukturen deutlich sehen können, wie beispielsweise, wenn sie sich Schiffen wie Flugzeugträgern, Körpern auf See wie Offshore-Öl- und -Gasbohrtürmen, oder an Land befindlichen Bauwerken wie Flughäfen oder sogar Hochhäusern nähern.
Ein weiterer Faktor, der beim Filtern von IR-Strahlung in Betracht gezogen werden muss, ist die Stärke, mit der das Filtermedium das im sichtbaren Spektrum emittierte Licht beeinflusst. In diesem Zusammenhang kann es geschehen, dass eine Abschwächung der IR-Strahlung von einer Farbverschiebung im sichtbaren Bereich begleitet ist. Bezüglich der Lichter an den Flügelspitzen kann das Ausmaß der Farbverschiebung den Unterschied zwischen Erfüllen oder Nichterfüllen der CAA-Vorschriften bedeuten.
Versuche, die voranstehend erwähnten Probleme des Herausfilterns eines Anteils der IR-Strahlung unter Vermeidung von bedeutenden Farbverschiebungen zu lösen, waren bisher nur teilweise erfolgreich, wie nachstehend beschrieben.
So hat man beispielsweise Linsen für Flugzeugleuchten bisher nur aus herkömmlichem Silikatglas hergestellt, da dieses das einzige Glas war, das sich zum Formen in gekrümmte Teilstücke eignet, die dann miteinander verbunden werden, um die Linsen zu bilden. In diesem Zusammenhang werden Silikatlinsen im Allgemeinen durch Formen oder Pressen erzeugt, während sich das Glas im geschmolzenen Zustand befindet.
Obwohl IR-Filterglas vom Silikattyp im Handel erhältlich ist, ist seine Verwendung für Flugzeugbeleuchtungen eingeschränkt, da das im sichtbaren Spektrum ausgestrahlte Licht ebenfalls beeinflusst wird. In diesem Zusammenhang erzeugt es eine messbare Farbverschiebung im roten Bereich, die es schwierig macht, die CAA-Vorschriften zu erfüllen.
Anstelle das voranstehend erwähnte IR-Filterglas zu verwenden, gab es die Alternative, auf herkömmlichem Silikatglas eine Beschichtung mit einem IR-Filtermaterial aufzubringen. Die hohen Temperaturen beim Formen der Glasteilstücke, die anschließend zu den Linsen zusammengesetzt werden sollen, haben zur Folge, dass diese Beschichtungen nur nach der Formgebungphase wirksam aufgebracht werden können. Um versehentlichen Schaden an der Beschichtung zu vermeiden, ist es überdies vorzuziehen, die Beschichtung aufzubringen, nachdem die einzelnen Teilstücke miteinander verbunden wurden, um die vollständige Linse zu bilden.
Das Beschichten mit einem IR-Filter-Material nach dem Zusammensetzen der Linse hat sich dennoch wegen der dabei vorhandenen stark konturierten Oberflächen als ungeeignet erwiesen. Insbesondere war es schwierig, die inneren oder die äußeren Oberflächen der Linsen gleichmäßig zu beschichten.
Damit IR-Filterbeschichtungen wirksam sind, müssen sie gleichmäßig aufgebracht werden; eine zu dünne Beschichtung führt zu einer unzureichenden IR-Abschwächung mit eventuell katastrophalen Folgen, und eine zu dicke Beschichtung kann das IR-Spektrum vollständig ausblenden. Deshalb ist eine Beschichtung von aus herkömmlichem Silikatglas hergestellten Linsen problematisch.
Was andere Glastypen betrifft, ist es bekannt, Phosphatglas mit Kupfer zu dotieren, um im IR-Bereich eine geringe Durchlässigkeit zu erreichen, und ein derartiges Glas hat man dazu verwendet, um beleuchtete Farb-Displays, z. B. solche in Flugzeugcockpits, abzuschirmen. IR-Filterglas von diesem Typ, wie es beispielsweise im auf die Schott Glaswerke übertragenen US-Patent Nr. 5,173,212 beschrieben ist, ist im Handel erhältlich. Für Verwendungen in Außenleuchten dürfte das Glas jedoch nur 1 mm dick sein, was es mechanisch unbrauchbar macht. Dies insbesondere, da es der Behandlung, die mit den bekannten Glashärtungsverfahren verbunden sind, nicht standhalten kann. Diese Behandlung ist aber wesentlich, wenn die Festigkeit und die Widerstandsfähigkeit erreicht werden soll, die für die anspruchsvollen physikalischen Bedingungen erforderlich sind, die bei Verwendung in Außenbereichen von Flugzeugen vorliegen.
Überdies ist Phosphatglas bei seinen bekannten Anwendungen durch seine Sprödigkeit gekennzeichnet, und deshalb war es bisher nicht möglich, im Wesentlichen nicht-planare Bestandteile zu erzeugen.
Aus dem Voranstehenden geht klar hervor, dass es weiterhin das Problem zu lösen gilt, ein Material zu finden, das so gehärtet werden kann, dass es insbesondere für die Verwendung in der Luftfahrt geeignet ist, dessen IR-Durchlässigkeit auf ein zufriedenstellendes Niveau verringert ist, ohne dass sie völlig fehlt, das nicht zu nachteiligen Farbverschiebungen im sichtbaren Bereich führt, und das zur Herstellung von Linsen in Form gebracht werden kann.
Unter Vergegenwärtigung der voranstehend beschriebenen Zielsetzungen haben, die Anmelder sich vorgenommen, ein derartiges Material herzustellen. Folglich ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Material bereitzustellen, das sich für die Verwendung an Flugzeug- und anderen Beleuchtungen geeignet, welches nicht nur eine Abschwächung der IR-Strahlung bewirkt, sondern auch keinen merklichen Einfluss auf das sichtbare Spektrum besitzt, und welches sowohl mechanisch als auch optisch die herkömmlichen Glashärtungsverfahren aushält.
Obwohl im Stand der Technik auf die offensichtliche Untauglichkeit von Phosphatglas als Material zum Formen von Linsen, beispielsweise für Flugzeugleuchten, hingewiesen wird, haben die Anmelder umfangreiche Forschungen durchgeführt und dieses Material entwickelt. Als Ergebnis ihrer Anstrengungen haben die Anmelder nicht nur ein Material mit Phosphatglas erfunden, das IR-Strahlung auf ein erwünschtes Niveau abschwächt, sondern sie haben auch ein Verfahren erfunden, mit dessen Hilfe Phosphatglas in nicht-planare Elemente geformt werden kann, wie beispielsweise Flugzeuglinsen oder deren Bestandteile.
Weitere Dokumente des Stands der Technik sind die US 4,303,298 , US 4,297,142 , US 5,242,868 , US 5,249,076 und die US 3,833,347 .
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In einer Ausgestaltung liegt die Erfindung in einem Phosphatglas, wie es in Anspruch 1 definiert ist.
Der tatsächliche Gehalt an im Glas der Erfindung enthaltenem Kupfer kann in Hinblick auf eine Reihe von Faktoren schwanken, wobei die wichtigsten die Dicke des Glases selbst und die Lichtquelle sind, die gefiltert werden soll. Zum Beispiel unterscheiden sich die Emissionseigenschaften eines Hochleistungs-Stroboskoplichts von denen der Hecklichter und denen der roten und grünen Lichter an den Flügelspitzen.
Außerdem sollte die Dicke des Glases zur Steuerung der optischen Eigenschaften unterschiedlich sein können, um an eine besondere Verwendung angepasst zu werden, beispielsweise im Hinblick darauf, ob es als ein Hilfsfilter in Verbindung mit einer vorhandenen Linse oder als austauschbare Linse verwendet werden soll.
Mit Hilfe der Erfindung ist es jedoch möglich, die IR-Strahlung auf ein Niveau abzuschwächen, das keine nachteilige Auswirkung auf die automatische Verstärkungsregelung der Pilotenbrillen besitzt, und trotzdem kann der Pilot die Lichtquelle leicht identifizieren. Überdies hat die Glaszusammensetzung wenig oder keinen merklichen Einfluss auf das sichtbare Spektrum.
Damit das Filtermaterial zur Verwendung für ein Flugzeugaußenlicht geeignet ist, speziell wenn es als austauschbare Linse verwendet wird, sollte klar sein, dass es mechanisch sehr fest sein muss. In diesem Zusammenhang fanden die Anmelder heraus, dass dann, wenn Phosphatglas eine Dicke von etwa 2 mm bis 6 mm hat, es für diese Verwendung ausreichend Festigkeit erhalten kann.
Weil handelsübliches Phosphatglas bisher in Form von Platten, Scheiben, etc. in beträchtlichen Dicken erhältlich war, musste es wegen seiner hohen Abschwächung im IR- Bereich und im unteren sichtbaren Bereich auf eine Dicke von etwa 1 mm geschliffen werden, um annehmbare Durchlässigkeitseigenschaften bereitzustellen. Bei dieser Dicke besitzt das Glas keine Festigkeit und kann ein Härtungsverfahren nicht überstehen.
Deshalb betrifft die Erfindung in einer weiteren Ausgestaltung einen IR-Filter, wie er in Anspruch 7 definiert ist, zur Verwendung als Linse, die ein mit Kupfer dotiertes Phosphatglas mit einer Dicke von etwa 2 mm bis 6 mm aufweist. Der Ausdruck "von etwa 2 mm bis 6 mm" schließt jeden Bereich oder bestimmten Wert dazwischen ein. Noch spezifischer betrifft die Erfindung ein gehärtetes, mit Kupfer dotiertes Phosphatglas mit einer solchen Dicke.
In einer bevorzugten Ausführungsform besitzt das Phosphatglas eine Dicke zwischen etwa 3 mm und 5 mm. Jedoch sollte es klar sein, dass die Dicke innerhalb des voranstehend beschriebenen Bereichs je nach dem Typ der Lichtquelle, die damit verwendet wird, variieren kann.
Während der IR-Filter gemäß der Erfindung im Allgemeinen in Dicken zwischen etwa 2 mm und 6 mm verwendet wird, wird der Filter vorzugsweise in Scheiben oder Platten mit einer Dicke von etwa 10 mm oder mehr hergestellt. Dies ist so, weil die Anmelden herausfanden, dass nur der zentrale oder mittige Kern des hergestellten Glases die erforderlichen optischen Eigenschaften zur Verwendung als Filter besitzt. Schleifen, Polieren und andere bekannte Arten der Kaltformung werden angewendet, um die erwünschte Dicke zu erlangen. Wenn die erwünschte Dicke erreicht ist, kann das Glas dann den Formbildungsverfahren unterworfen werden.
Im Gegensatz zum bisher bekannten IR-Filter-Phosphatglas kann das erfindungsgemäße Phosphatglas mechanisch ohne weiteres die Spannungen aushalten, die während der anschließenden Glashärtungsverfahren auftreten. Die Fähigkeit, einem Härtungsverfahren standzuhalten, ist natürlich eine Grundvoraussetzung, um die notwendige Festigkeit zur Verwendung als Linsen bei Flugzeugleuchten zu erreichen. Das Phosphatglas der Erfindung behält während der Härtung in bemerkenswerter Weise seine optischen Eigenschaften bei.
Um die erwünschte Abschwächung von IR zu erreichen und dennoch die Durchlässigkeit von sichtbarem Licht zu maximieren, besonders im roten Endbereich des sichtbaren Spektrums, umfasst der IR-Filter mit einer Dicke im angegebenen Bereich bevorzugt mit Kupfer dotiertes Phosphatglas mit einem Kupfer(II)oxid-Gehalt von weniger als 2 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Glases.
Der Kupfer(II)oxid-Gehalt des Phosphatglases reicht von etwa 1,5 bis zu 1,8 Gew.-% oder liegt bei einem beliebigen Wert oder Bereich dazwischen. Noch bevorzugter zwischen etwa 1,6 und 1,7 Gew.-%.
Abgesehen von der Begrenzung des Kupfer(II)oxid-Gehalts auf unter 2 Gew.-%, was zum Erreichen der erwünschten optischen Eigenschaften wesentlich ist, sind andere Bestandteile in wechselnden Mengen vorhanden und leisten damit einen Beitrag zu den Gesamteigenschaften des Phosphatglases.
MgO ist ein solcher Bestandteil, der im Phosphatglas der Erfindung vorhanden ist. Vorteilhaft ist MgO in einer Menge von 5,0 bis 7,0 Gew.-% enthalten, stärker bevorzugt zwischen 5,4 und 6,6 Gew.-%.
K₂O ist ein weiterer Bestandteil, der vorzugsweise im Glas enthalten ist, am zweckmäßigstens in Mengen von etwa 0,2 bis 0,4 Gew.-%, stärker bevorzugt zwischen 0,24 und 0,37 Gew.-%.
SiO₂ ist bevorzugt ebenfalls enthalten, da angenommen wird, dass es sich vorteilhaft auf die Verwitterungseigenschaften des Glases auswirkt. In diesem Zusammenhang ist es idealerweise in einer Menge zwischen etwa 1,5 und 2,4 Gew.-% vorhanden, stärker bevorzugt zwischen 1,9 und 2,2 Gew.-%.
Al₂O₃ ist zwischen 10,0 und 14,0 Gew.-% im Phosphatglas der Erfindung enthalten.
Andere Bestandteile, die vorteilhaft enthalten sind, sind CaO (vorzugsweise zwischen etwa 0,1 und 0,5 Gew.-%) und Na₂O (vorzugsweise zwischen etwa 3,0 und 6,0 Gew.-%).
Natürlich besteht der Großteil der Glaszusammensetzung aus P₂O₅, und das ist in Mengen zwischen 65,0 und 80,0 Gew.-% vorhanden, stärker bevorzugt zwischen 69,0 und 72,0 Gew.-%.
Es sollte klar sein, dass all die hier genannten Bereiche jeden beliebigen Bereich oder bestimmten Wert dazwischen umfassen sollen und auf das Gesamtgewicht des Glases bezogen sind.
Wie aus der Glasherstellung gut bekannt ist, wird die endgültige Zusammensetzung des Glases von vielen Faktoren beeinflusst. Beispielsweise führt die Zugabe von identischen Mengen der Ausgangsmaterialien nicht zum gleichen Produkt, wenn nicht die gleichen Verfahrensbedingungen angewendet werden. Diese Faktoren, wie Ofentemperatur, Atmosphäre, Windgeschwindigkeit im Ofenkamin, Zusammensetzung der Schmelzkammer, etc. haben alle einen Einfluss auf die sich ergebende Glaszusammensetzung. Außerdem wirkt sich auch eine Änderung der Chargengröße aus, so dass eine einfache Extrapolation der Menge der Ausgangsmaterialien zur Erhöhung oder Verringerung des Volumens des herzustellenden Glases nicht notwendigerweise reproduzierbare Ergebnisse liefert, selbst wenn andere äußere Faktoren konstant gehalten werden.
Mit Hilfe routinemäßiger Untersuchungen ist es einer Fachkraft in der Glasherstellung jedoch möglich, ein Endprodukt mit dem erforderlichen Kupfer(II)oxid-Gehalt und tatsächlich mit den erwünschten Mengen anderer Bestandteile herzustellen.
Durch sorgfältiges Abstimmen des Kupfer(II)oxid-Gehalts und der Dicke des Filters innerhalb der definierten Parameter konnten die Anmelden eine starke Abschwächung der IR-Strahlung erreichen, insbesondere im Bereich von 700 nm bis 900 nm, ohne dabei die Spektralqualität im sichtbaren Spektrum zu opfern, speziell in Richtung des roten Endbereichs.
In optischen Fachbegriffen ausgedrückt besitzt das erfindungsgemäße Phosphatglas, bezogen auf eine 4 mm dicke Probe, bevorzugt eine maximale Durchlässigkeit von bevorzugt 82,5% ± 5% bei einer Hauptwellenlänge von 512 nm ± 4 nm. Stärker bevorzugt besitzt das Glas bei dieser Dicke eine Durchlässigkeit von 60,0% ± 7,0% bei 400 nm und eine optische Dichte von 2,65 ± 10% bei 700 nm.
Deshalb liegt die Erfindung weiterhin in einem Kupfer dotierten Phosphatglas mit einer maximalen Durchlässigkeit von 82,5% ± 5,0%, einer Hauptwellenlänge bei 512 nm ± 4 nm, einer Durchlässigkeit von 60% ± 7,0% bei 400 nm und einer optischen Dichte von 2,65 ± 10% bei 700 nm, gemessen an einer 4 mm dicken Probe.
Diese Eigenschaften stellen die optimalen Werte zum Erreichen der richtigen Art Lichtemission dar, um damit ein vorübergehendes Blenden eines Piloten zu vermeiden, der eine Nachtsichtbrille trägt.
Es sollte klar sein, dass die Anmelden durch diese Erfindung einen bedeutenden Beitrag zur Verbesserung der Flugsicherheit unter schlechten Sichtverhältnissen geleistet haben.
Abgesehen von diesem bedeutenden Beitrag zur Sicherheit führte die Forschung der Anmelden auf diesem Gebiet zu einem anderen wichtigen Fortschritt in der Phosphatglas-Technologie. Insbesondere fanden die Anmelder heraus, dass es möglich ist, Phosphatglas zu formen oder zu biegen, ohne dass es zu Sprüngen kommt oder die Langzeitstabilität des Glases beeinträchtigt wird. Wenn das Formgebungsverfahren auf das IR-Filterglas der Erfindung angewendet wird, gibt es außerdem keine schädliche Auswirkung auf die optischen Eigenschaften des Glases.
Während die Form einiger Linsen durch mechanisches Bearbeiten von Blöcken oder Platten aus Gussglas in einfacher Weise erzeugt werden kann, besteht für andere Formen der einzige praktische Weg zur Linsenherstellung in der Formung des Glases.
Wiederum ist es überraschend, dass das erfindungsgemäße Phosphatglas die Formgebung ohne Schaden für die optischen Eigenschaften übersteht. In Versuchen, die von den Anmeldern an bekanntem Phosphat-IR-Filterglas vorgenommen wurden, führte das Aufheizen bis zur Temperatur des Erweichungspunkts oder des verformbaren Zustands dazu, dass das bekannte Glas eine nicht annehmbare Farbänderung durchmachte, wobei sich das Glas dunkler grün färbte, wodurch eine stärkere Abschwächung von sichtbarem Licht verursacht wurde. Eine derartige deutliche Änderung in der Durchlässigkeit von sichtbarem Licht zeigt weiterhin, dass das bereits bekannte Glas für Anwendungen in Flugzeugbeleuchtung ungeeignet ist.
Deshalb umfasst die Erfindung in einer zusätzlichen Ausgestaltung ein Verfahren zum Erzeugen von Phosphatglas, wie es in Anspruch 11 definiert ist.
Das voranstehende Verfahren eignet sich insbesondere zum Erzeugen von Phosphatglas mit einer Dicke von etwa 2 mm bis 6 mm.
Um eine erwünschte Form zu erzielen, wird das Glas vorzugsweise in Kontakt mit einer Form angeordnet, so dass es sich dann, wenn das Glas einen verformbaren Zustand erreicht, durch Kollabieren oder "Fließen" gegen die Form verformt und dessen Konturen annimmt. Beispielsweise kann das Glas in eine Form mit im Wesentlichen konkaver Oberfläche oder über eine nach oben konvexe Formoberfläche "fließen".
Während es bevorzugt ist, dass sich das Glas "auf natürliche Weise" unter seinem Eigengewicht biegen oder formen kann, kann die Formgebung alternativ durch Pressen des Glases in eine Form, beispielsweise mit Hilfe einer zweiteiligen Form, erreicht werden. Jedoch bringt das Pressen eine erhöhte Gefahr der Entstehung von Spannungen im Glas mit sich und erfordert daher die Anwendung aller erforderlichen Sorgfalt.
Idealerweise ist die Form, gegen die das Glas gebogen wird, "zerfließt" oder gepresst wird, aus keramischem Material hergestellt. Dies sollte deshalb sein, weil Keramik einen ähnlichen Ausdehnungskoeffizienten wie das Glas besitzt, so dass sie beim Abkühlen in gleichem oder ähnlichem Maße wie das Glas schrumpft.
Keramik besitzt auch eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit als das traditionell verwendete Gusseisen, so dass es die Glasoberfläche nicht kühlt, wenn das Glas und die Form in Verbindung stehen. Auf diese Weise können eine Verschlechterung in der Oberflächenqualität und ein Springen erfolgreich vermieden werden. Ein anderer Grund dafür, dass Keramik dem Gußeisen vorzuziehen ist, ist der, dass Gußeisen bei den betreffenden Formbildungstemperaturen gerne oxidiert, wodurch sich die Oberflächenqualität des Glases weiter vermindert.
Im Allgemeinen erreicht mit Kupfer dotiertes Phosphatglas gemäß der Erfindung einen verformbaren Zustand bei einer Temperatur zwischen 500°C und 600°C, eher noch zwischen etwa 540°C und 570°C, und deshalb ist es bevorzugt, dass während des Formgebungsverfahrens die Temperatur des Glases nicht weit über diese Temperaturen steigen soll. Die Temperatur des verformbaren Zustands oder der Erweichung variiert je nach der genauen Zusammensetzung des Glases, und es liegt in der Fähigkeit der Fachkraft, die ideale Fließtemperatur für die jeweilige Zusammensetzung auszuwählen.
Die Geschwindigkeit, mit der das Glas auf die Temperatur des verformbaren Zustands aufgeheizt wird, wird idealerweise so gesteuert, dass das Auftreten einer ungleichmäßigen Erhitzung vermieden wird, was Spannung im Glas aufbauen kann. Vorzugsweise wird das Glas mit einer Geschwindigkeit von etwa 80°C bis 120°C/Stunde aufgeheizt, stärker bevorzugt mit etwa 100°C/Stunde.
Ein tatsächliches Schmelzen des Glases findet bei viel höheren Temperaturen statt, gewöhnlich um 1200°C, und es ist wichtig, dass das Glas diese Temperatur nicht erreicht, da ansonsten die optischen Eigenschaften mit hoher Wahrscheinlichkeit beeinträchtigt werden. Idealerweise wird das Aufheizen des Glases beendet, wenn die Temperatur des verformbaren Zustands erreicht wurde, oder es wird zumindest verringert, so dass die Temperatur nicht über die Temperatur des verformbaren Zustands steigt.
Wenn das Glas den verformbaren Zustand erreicht hat, wird das Heizen bei etwa dieser Temperatur beibehalten, bis das Zerfließen beendet ist. Abhängig von der Glasdicke wird das Biegen oder "Fließen" des Glases gewöhnlich innerhalb eines Zeitraums von 15 Minuten bis 1 Stunde erreicht, wobei 30 Minuten etwa der Durchschnitt sind.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass nach dem Formen des Glases das Kühlen oder Abkühlen des Glases erfolgt, nachdem es aus der Form gelöst wurde. Zu diesem Zweck wird das Glas vorzugsweise aus der Form entfernt, wenn es fest genug ist, um seine Gestalt beizubehalten.
Nach dem Entfernen aus der Form wird das vom Träger freie, aber geformte Glas vorteilhaft eine Zeit lang auf einer Temperatur gehalten, die der Erweichungstemperatur nahe liegt, aber niedriger als diese ist, bevor man es auf eine Zwischentemperatur abkühlen läßt. Beispielsweise wird das geformte Glas für einen Zeitraum zwischen etwa 1 und 3 Stunden auf einer Temperatur zwischen 20°C und 100°C, bevorzugt etwa 50°C, unterhalb der Erweichungstemperatur gehalten.
Nachdem das Glas geformt und idealerweise eine Zeit lang nahe aber unterhalb der Erweichungstemperatur gehalten wurde, lässt man das Glas auf eine Zwischentemperatur abkühlen, die vorteilhaft zwischen etwa 250°C und 350°C liegt. Eine Zwischentemperatur von etwa 300°C hat sich als besonders geeignet erwiesen.
Das Abkühlen auf die Zwischentemperatur wird äußerst zweckmäßig mit der gleichen oder ähnlichen Geschwindigkeit durchgeführt, mit der das Aufheizen stattfindet. Deshalb wird eine Abkühlungsgeschwindigkeit von etwa 100°C/Stunde bevorzugt.
Das Glas wird dann für einen Zeitraum bei oder nahe der Zwischentemperatur gehalten, der ausreicht, um möglicherweise während des Fließens im Glas entstandene Spannungen abzubauen. Im Allgemeinen wird ein Zeitraum von etwa 3 Stunden als ausreichend betrachtet, obwohl dieser abhängig vom Ausmaß, mit dem das Glas gebogen wurde, und von seiner Dicke gesteigert oder verringert werden kann. Wenn das Glas nicht auf die richtige Art abgekühlt wird, beispielsweise, wenn nicht ausreichend Zeit zum Kühlen eingeplant ist, wird das entstandene Glas wahrscheinlich bei Umgebungstemperatur nicht stabil und nicht bearbeitbar sein.
Das geformte Glas wird auf eine gesteuerte Weise auf Umgebungstemperatur gebracht. Mit anderen Worten: Es sollte nicht schnellen oder ungleichmäßigen Abkühlungsgeschwindigkeiten unterworfen werden. Bevorzugt lässt man das Glas mit einer Geschwindigkeit von etwa 40°C/Stunde über einen Zeitraum von etwa 8 Stunden abkühlen. Nach dem Abkühlen auf Umgebungstemperatur wird vorzugsweise ein Teil des Glases durch Schleifen oder andere bekannte Verfahren um seine Seitenränder herum entfernt, um dadurch die endgültige, zur Verwendung vorgesehene Gestalt zu erzeugen.
Das voranstehend beschriebene Verfahren zum Formen von Phosphatglas kann angewendet werden, um entweder einen vollständigen Filter oder um Teile davon zu erzeugen, die anschließend zusammengefügt werden. Wenn das Zusammenfügen verschiedener Teile erforderlich ist, werden im Allgemeinen herkömmliche halbfeste Hochtemperatur-Kleber für optische Anwendungen eingesetzt.
Nach der Formgebung wird die Filteroberfläche üblicherweise einem abschließenden Schleifen und Polieren unterzogen, um die Oberflächen vollkommen auszubilden, die dann zur Härtung bereit sind.
Härtungsverfahren sind den Fachleuten auf dem Gebiet der Glasherstellung gut bekannt und erfordern hier keine weitere Erläuterung. Es sollte klar sein, dass im Allgemeinen nach dem Härten keine weitere Glasveränderung möglich ist. Daher muss das gesamte Schleifen, Polieren etc. vor der Härtungsphase abgeschlossen sein. Wenn eine Linse aus mehreren Teilen besteht, beispielsweise um sehr unregelmäßige Formen zu erzielen, können die Teile nach der Härtungsphase zusammengefügt werden.
Solche komplexe Formen wie diejenigen, die nachstehend dargestellt sind, konnten bisher bei Verwendung von bekanntem mit Kupfer dotiertem IR-Phosphat-Filterglas nicht erhalten werden, ohne dass eine Verschlechterung in den optischen Eigenschaften eingetreten wäre. Dies ist so, da eine Hitzebehandlung von im Handel erhältlichem Phosphatglas chemische Reaktionen bewirkt, die sich auf die optischen Durchlässigkeitseigenschaften nachteilig auswirken.
Die Zusammensetzung des erfindungsgemäßen Glases und das Verfahren zu seiner Formgebung ermöglichen es zusammen, schwierig herstellbare Formen zu erzeugen. Dies ist insbesondere so, weil das erfindungsgemäße Phosphatglas beim Erhitzen chemisch stabiler ist als bisher erhältliches Glas und weil das Verfahren, das zur Formgebung des Glases verwendet wird, das Ausmaß minimiert, mit dem es hohen Temperaturen ausgesetzt ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Damit die Erfindung leichter verstanden werden kann, wird auf die folgenden Beispiele und Zeichnungen verwiesen, die die Erfindung darstellen sollen, ohne deren Umfang einzugrenzen. Zu den Zeichnungen:
1 ist ein Diagramm, das einen Vergleich der optischen Durchlässigkeit zwischen einem bekannten Phosphatglas und einem erfindungsgemäßen IR-Filterglas zeigt;
2 ist ein Diagramm, das einen Vergleich der optischen Dichte im IR-Bereich zeigt, wobei die gleichen Gläser wie in 1 verwendet wurden;
3 ist eine Rückansicht eines Flugzeug-Hecklichts, das einen erfindungsgemäßen IR-Filter aufweist;
4 ist eine Seitenansicht der in 3 gezeigten Leuchte;
5 ist ein Querschnitt entlang der Linie X-X aus 3;
6 ist eine Seitenansicht einer Flugzeug-Backbord-Navigationsleuchte, die einen erfindungsgemäßen IR-Filter aufweist;
7 ist eine Ansicht der Navigationsleuchte aus 6 von unten;
8 ist ein Querschnitt entlang der Linie X-X aus 7;
9 ist ein Grundriss einer Flugzeug-Hochleistungs-Stroboskopleuchte, die einen erfindungsgemäßen IR-Filter aufweist;
10a ist eine Seitenansicht der Leuchte aus 9;
10b ist eine Stirnansicht der Leuchte aus 9; und
11 ist ein Querschnitt entlang der Linie X-X aus 10b.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Eine Anzahl von Phosphatgläsern, die gemäß bekannten Glasherstellungstechniken in dicken Platten hergestellt wurden, wurde auf eine Dicke von 3 mm geschliffen. Die geschliffenen Platten, die den mittleren Kern des hergestellten Glases darstellen, besaßen Zusammensetzungen wie in Tabelle 1 dargestellt. Die Mengen der verschiedenen Bestandteile wurden unter Verwendung der XRF-Analyse berechnet, und die Prozentsätze sind in Gewichtsprozent, bezogen auf die Oxide, ausgedrückt.
Tabelle 1
Eine optische Analyse des Glases aus Beispiel 1 zeigte eine maximale Durchlässigkeit von 82, 88% bei einer Hauptwellenlänge von 508 nm, eine Transmission bei 400 nm von 66, 77% und eine optische Dichte bei 700 nm von 2,12.
Eine vergleichbare Analyse des Glases aus Beispiel 2 ergab eine maximale Durchlässigkeit von 81, 24% bei einer Hauptwellenlänge von 518 nm, eine Transmission bei 400 nm von 58, 77% und eine optische Dichte bei 700 nm von 1,814.
Während beide Glasproben aus den Beispielen 1 und 2 wünschenswerte optische Eigenschaften aufwiesen und damit als IR-Filter für eine Flugzeug-Außenleuchte brauchbar waren, war die Probe aus Beispiel 1 im sichtbaren Bereich besonders wirksam.
Um die verbesserten optischen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Phosphatglases weiterhin darzulegen, ist in 1 ein Transmissions-Diagramm gezeigt, das einen bisherigen Filter (A) mit einem erfindungsgemäßen IR-Filter (B) vergleicht. Die Ergebnisse wurden unter Verwendung von 1 mm-Proben für jedes Glas erhalten.
1 kann entnommen werden, dass der erfindungsgemäße IR-Filter (B) eine gleichbleibend höhere Transmission im sichtbaren Bereich als der bisherige Filter (A) aufweist. Im roten Endbereich des Spektrums ist der Unterschied besonders deutlich. Beispielsweise zeigt der bisherige Filter (A) bei 650 nm nur etwa 10% Transmission, wohingegen der erfindungsgemäße Filter (B) etwa 50% aufweist.
Außerdem kann man sehen, dass der erfindungsgemäße Filter (B) zumindest eine gewisse Durchlässigkeit im IR-Bereich besitzt, während der Durchgang von Licht beim bisherigen Filter (A) fast vollständig unterdrückt wird.
Der Unterschied in den Eigenschaften der zwei Gläser (A, B) im IR-Bereich ist vielleicht noch deutlicher aus 2 zu erkennen, die ein Diagramm darstellt, das die optische Dichte für dieselben 1 mm dicken Proben (A, B) zeigt, die für die 1 verwendet wurden.
Insbesondere ist es offensichtlich, dass die optische Dichte des erfindungsgemäßen Filters (B) über die IR-Wellenlängen hinweg viel niedriger als die des bisherigen Filters (A) ist. Tatsächlich ist im IR-Bereich die Abschwächung durch den bisherigen Filter (A) so, dass ein eine Nachtsicht-Brille tragender Pilot eine Leuchte, die diesen Filter enthält, nicht sehen könnte.
Es folgt nun ein Beispiel für das Formgebungsverfahren:
Beispiel 4
Ein Stück eines mit Kupfer dotierten Phosphatglases mit den ungefähren Abmessungen 100 mm × 50 mm × 4 mm Dicke wurde mit Hilfe eines spanenden Verfahrens aus einer 10 mm dicken Rohplatte hergestellt, indem die Dicke auf jeder Seite gleichmäßig verringert wurde. Das Stück wurde dann an seinen Rändern zur Zerfließ-Vorform profiliert. Das Glas wurde anschließend in einen Ofen auf die Keramikform gelegt, und die Temperatur wurde mit einer Geschwindigkeit von 100°C/Stunde von Umgebungstemperatur auf 550°C erhöht. Diese Temperatur wurde 30 Minuten lang gehalten, während denen das Glas von sich aus die Gestalt der Form annahm. Man ließ die Temperatur dann über einen Zeitraum von 30 Minuten auf 500°C fallen und hielt diese Temperatur 2 Stunden lang, worauf dann das Glas aus der im Ofen befindlichen Form entfernt wurde. Die Ofentemperatur wurde dann über 2 Stunden hinweg auf 300°C abgesenkt und dann 3 Stunden lang bei 300°C gehalten. Nach dieser Zwischenstufe wurde die Ofentemperatur über einen Zeitraum von 8 Stunden hinweg wieder auf Umgebungstemperatur (25°C) abgesenkt. Das zerflossene Glas erhielt dann das Profil seiner endgültigen Form und wurde poliert, um Oberflächenfehler zu beseitigen.
Nach Beendigung des Formgebungsverfahrens wird das Phosphatglas abschließend gehärtet, bevor es bereit ist, an ein Flugzeuglicht angepasst zu werden, entweder als austauschbare Linse oder als Hilfsfilter in Verbindung mit einer vorhandenen Linse.
Beispiele verschiedener Typen von Flugzeugleuchten, die mit erfindungsgemäßen IR-Filtern ausgestattet sind, sind in den 3 bis 10 dargestellt.
Insbesondere umfasst ein Flugzeug-Hecklicht, das in den 3 bis 5 gezeigt ist, ein undurchsichtiges Gehäuse oder eine gegossene Befestigung (1), in der sich eine Lichtquelle (nicht gezeigt) befindet. An einem Ende des Gehäuses (1) ist eine Öffnung angebracht, die von einem IR-Filter (2) mit einer nach außen konvexen Oberfläche abgedeckt ist und durch die das Licht gefiltert wird. Der IR-Filter (2) kann statt durch Formgebung durch Verwendung des "Zerfließ"-Prozesses auch durch einfaches spannendes Bearbeiten aus einer Phosphatglas-Blockform hergestellt werden.
Eine abgeänderte Navigationsleuchte, wie in den 6 bis 8 dargestellt, umfasst eine gekrümmte Kappe (4), auf der ein Hilfsrahmen (5) befestigt ist, der einen erfindungsgemäßen IR-Filter (6) hält. Wie am besten aus 8 ersichtlich, ist der erfindungsgemäße IR-Filter (6) über der äußeren konvexen Oberfläche einer vorhandenen Linse (7) befestigt, die vom vorhandenen Linsenrahmen (8) gehalten wird. Der IR-Filter (6) ist leicht gekrümmt, wenn er in einer Ebene (Schnitt X-X) betrachtet wird, ist aber stärker gekrümmt, wenn er in einer senkrechten Ebene betrachtet wird.
Eine Hochleistungs-Stroboskopleuchte, wie in den 9 bis 11 dargestellt, besitzt einen Filter-Befestigungsrahmen (10), auf dem ein aus vier Glasteilen hergestellter Filter gehalten wird; Stirngläser (12a, 12b) und Seitengläser (14a, 14b). Während die Stirngläser (12a, 12b) in einer Ebene mit einem gleichbleibenden Krümmungsradius über das jeweilige Teil hinweg beträchtlich gekrümmt sind, kann man aus 10b entnehmen, dass die Seitengläser (14a, 14b) eine kompliziertere Gestalt besitzen und Teilbereiche mit unterschiedlichen Krümmungsradien aufweisen.
Während einzelne Ausführungsformen beschrieben wurden, sollte es den Fachleuten klar sein, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne den breiten Rahmen der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen definiert sind, zu verlassen. Während die Erfindung beispielsweise am allgemeinsten in Hinblick auf Flugzeug-Außenbeleuchtung beschrieben wurde, sollte es klar sein, dass sie darauf nicht beschränkt ist. In diesem Zusammenhang sollte klar sein, dass die Erfindung auch für Flugzeug-Innenbeleuchtung, wie beispielsweise Cockpit-Innenbeleuchtung und Karten-Lesebeleuchtung, auf Beleuchtungen im Meer, wie beispielsweise für Schiffe und Körper im Meer (Ölbohranlagen, Leuchttürme, Bojen etc.) und für die Außenbeleuchtung an Hochhäusern angewendet werden kann. Zusätzlich kann das erfindungsgemäße IR-Filterglas auch Anwendungen bei Lande- und anderen Navigationslichtern auf Flugplätzen finden.

Claims

Mit Kupfer(II)oxid dotiertes Phosphatglas zur Abschwächung von aus einer Lichtquelle emittiertem, durch Nachtsicht-Systeme betrachtetem infrarotem Licht, umfassend 65 bis 80 Gew.-% P₂O₅, 10 bis 14 Gew.-% Al₂O₃, 5 bis 7 Gew.-% MgO und 1,5 bis 1,8 Gew.-% CuO.
Phosphatglas nach Anspruch 1, worin das Glas gehärtet ist.
Phosphatglas nach Anspruch 1, worin das Glas im wesentlichen aus 2,02 Gew.-% SiO₂, 11,8 Gew.-% Al₂O₃, 0,04 Gew.-% Fe₂O₃, 0,42 Gew.-% CaO, 5,58 Gew.-% MgO, 0,31 Gew.-% K₂O, 4,39 Gew.-% Na₂O, 0,09 Gew.-% B₂O₃, 1,12 Gew.-% Li₂O, 0,02 Gew.-% F, 71,7 Gew.-% P₂O₅, 0,03 Gew.-% ZnO und 1,62 Gew.-% CuO besteht.
Phosphatglas nach Anspruch 1, worin das Glas im wesentlichen aus 1,89 Gew.-% SiO₂, 11,8 Gew.-% Al₂O₃, 0,04 Gew.-% Fe₂O₃, 0,41 Gew.-% CaO, 5,39 Gew.-% MgO, 0,23 Gew.-% K₂O, 4,38 Gew.-% Na₂O, 0,12 Gew.-% B₂O₃, 1,10 Gew.-% Li₂O, 0,01 Gew.-% F, 71,7 Gew.-% P₂O₅, 0,05 Gew.-% ZnO und 1,54 Gew.-% CuO besteht.
Phosphatglas nach Anspruch 1, worin das Glas im wesentlichen aus 2,14 Gew.-% SiO₂, 12,1 Gew.-% Al₂O₃, 0,04 Gew.-% Fe₂O₃, 0,43 Gew.-% CaO, 5,62 Gew.-% MgO, 0,30 Gew.-% K₂O, 4,50 Gew.-% Na₂O, 0,10 Gew.-% B₂O₃, 1,12 Gew.-% Li₂O, 0,06 Gew.-% F, 70,8 Gew.-% P₂O₅, 0,02 Gew.-% ZnO und 1,67 Gew.-% CuO besteht.
Phosphatglas nach Anspruch 1, worin das Glas so ausgestaltet ist, daß es die folgenden Eigenschaften besitzt: eine maximale Durchlässigkeit von 82,5% ± 5,0% eine Hauptwellenlänge bei 512 nm ± 4 nm; eine Transmission von 60% ± 7,0% bei 400 nm; und eine optische Dichte von 2,65 ± 10% bei 700 nm, gemessen an einer 4 mm dicken Probe.
Infrarot-Filter (2, 6) für ein Außenlicht an Flugzeugen, Schiffen oder anderen Körpern, umfassend gehärtetes Phosphatglas, worin das Glas 65 bis 80 Gew.-% P₂O₅, 10 bis 14 Gew.-% Al₂O₃, 5 bis 7 Gew.-% MgO und 1,5 bis 1,8 Gew.-% CuO enthält.
Linsensystem, umfassend eine erste und eine zweite Linse, worin die erste Linse eine Passung als Hilfslinse für die zweite Linse besitzt und einen Infrarot-Filter (6) gemäß Anspruch 7 aufweist.
Verfahren zum Herstellen eines Infrarot-Filters, umfassend das Schleifen beider Seiten einer Scheibe aus Phosphatglas mit einer Zusammensetzung, die 65 bis 80 Gew.-% P₂O₅, 10 bis 14 Gew.-% Al₂O₃, 5 bis 7 Gew.-% MgO und 1,5 bis 1,8 Gew.-% CuO enthält, von einer Dicke von mindestens 10 mm bis auf eine Dicke von etwa 2 mm bis 6 mm.
Verfahren nach Anspruch 9, worin die Scheibe auf eine Dicke von etwa 3 mm bis 5 mm geschliffen wird.
Verfahren zum Erzeugen von Phosphatglas zur Herstellung eines nicht-planaren Infrarot-Filters, wobei dieses Verfahren umfaßt: Erhitzen des Glases mit einer Zusammensetzung von 65 bis 80 Gew.-% P₂O₅, 10 bis 14 Gew.-% Al₂O₃, 5 bis 7 Gew.-% MgO und 1,5 bis 1,8 Gew.-% CuO, bis es einen verformbaren Zustand erreicht und unter seinem eigenen Gewicht eine Form ausbildet, Abkühlen des verformten Glases auf eine Temperatur zwischen der Temperatur des verformbaren Zustandes und Umgebungstemperatur, und Halten des Glases für einen längeren Zeitraum bei oder nahe der Zwischentemperatur, und Abkühlen des Glases auf Umgebungstemperatur.
Verfahren nach Anspruch 11, worin die Form des Glases ausgebildet wird, indem es auf einer Formoberfläche kollabiert oder zerfließt.
Verfahren nach den Ansprüchen 11 oder 12, worin das geformte Glas von der Formoberfläche entfernt wird, bevor es auf die Zwischentemperatur abgekühlt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, worin das Glas auf eine Formbildungstemperatur von etwa 500°C bis 600°C erhitzt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, worin das Glas auf eine Formbildungstemperatur von etwa 550°C bis 570°C erhitzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, worin das Glas auf eine Zwischentemperatur von zwischen etwa 250 und 350°C abgekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 16, worin das Glas auf eine Zwischentemperatur von etwa 300°C abgekühlt wird.