JPS62299901A - Optical element, shock resistance of which is adjusted - Google Patents

Optical element, shock resistance of which is adjusted

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JPS62299901A
JPS62299901A JP62152396A JP15239687A JPS62299901A JP S62299901 A JPS62299901 A JP S62299901A JP 62152396 A JP62152396 A JP 62152396A JP 15239687 A JP15239687 A JP 15239687A JP S62299901 A JPS62299901 A JP S62299901A
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    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B1/00Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G02B1/10Optical coatings produced by application to, or surface treatment of, optical elements
    • G02B1/14Protective coatings, e.g. hard coatings
    • G02B1/105

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.

Description

【発明の詳細な説明】 3、発明の詳細な説明〕 本発明は一般に光学素子、より詳細には光学素子の衝撃
に対する保護および補強に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION 3. DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION This invention relates generally to optical elements, and more particularly to impact protection and reinforcement of optical elements.

当技術分野で知られているように、丸字画像形成システ
ムは一般に、画像形成システムの残りの部分を外部環境
から遮断する、外部に取付けられた光学素子を含む。た
とえば赤外?flJCIR)航空画像形成システム(1
nfrared airborne irnaging
system )については、赤外線画像形成システム
の残りの部分が湿潤した、腐食性の、および摩耗性の環
境に暴露されるのを遮断するだめの赤外線透過性光学素
子、たとえば窓またはドームが航空システムに取付けら
れている。このような環境に長期間暴露されると、一般
に光学素子の材料の光学的特性および物理的特性が損わ
れる。一般にこれらの外部素子が遭遇する最も過酷な環
境暴露は、航空システムが降雨地域を飛行する際に起こ
る高速の水滴衝撃であると思われる。
As is known in the art, round imaging systems generally include externally mounted optical elements that isolate the remainder of the imaging system from the external environment. For example, infrared? flJCIR) Aerial Imaging System (1
nfrared airborne
system), the aviation system is equipped with a non-infrared transparent optical element, such as a window or dome, that blocks exposure of the rest of the infrared imaging system to wet, corrosive, and abrasive environments. installed. Prolonged exposure to such environments generally impairs the optical and physical properties of the material of the optical element. Generally, the most severe environmental exposure these external components encounter is likely to be the high velocity water droplet impact that occurs when aviation systems fly through rainy areas.

この水滴衝撃の問題はより一般的には当技術分野で降雨
浸食(rain erosion)と呼ばれている。
This water droplet impact problem is more commonly referred to in the art as rain erosion.

降雨地域を飛行する際に水滴が外部素子の表面に衝突し
、亜音速においてすら表面上破壊を生じる。
When flying through a rainy area, water droplets impinge on the surface of the external element, causing superficial destruction even at subsonic speeds.

きわめてもろい材料については、これらの表面上破壊は
光学素子の表面付近の既存の微細欠陥(microfl
aw)に始する。これらの光学素子に対する降雨浸食に
よる損傷は材料が有意に除去される以前に起こる。これ
らの既存の微細欠陥が生長するだけで光学素子に損傷を
与えるのに十分である。特にこれらの微細欠陥は水滴に
よる衝撃を受けた際に生じる表面応力波の引張り成分に
よって生長し、光学素子な貫く。いったん形成されると
、表面上破壊が光学素子を貫いて連続生長することによ
って、しばしば光学素子に大きな亀裂を生じるであろう
。亀裂の領域では入射赤外線エネルギーの散乱および屈
折が起こシ、内部反射だよび赤外線エネルギー損失が増
加する。このような亀裂が多数含1れると、光学素子の
透過率が著しく低下する。さらに亀裂が光学素子を貫い
て生長するの、に伴って、素子の突発故障が起こる可能
性がある。光学素子が破砕または破断すると、赤外線画
像形成システムの残りの光学素子が外部環境に暴露され
、画像形成システムに潜在的な突発損傷が生じる。
For extremely brittle materials, these superficial fractures are due to pre-existing micro-defects near the surface of the optical element.
aw). Rain erosion damage to these optics occurs before material is significantly removed. The mere growth of these existing microscopic defects is sufficient to damage the optical element. In particular, these microscopic defects grow due to the tensile component of the surface stress waves generated when impacted by water droplets, and penetrate the optical element. Once formed, continuous growth of superficial fractures through the optical element will often result in large cracks in the optical element. Scattering and refraction of incident infrared energy occurs in the area of the crack, increasing internal reflection and infrared energy loss. When a large number of such cracks are included, the transmittance of the optical element is significantly reduced. Additionally, as the crack grows through the optical element, catastrophic failure of the element may occur. When an optical element shatters or breaks, the remaining optical elements of the infrared imaging system are exposed to the external environment, creating potential catastrophic damage to the imaging system.

一般に赤外線画像形成システムに最良の機械的耐久性お
よび丸字的性能を与える材料(特に8〜12μmの赤外
線帯域において)は比較的少数に限られて(・る。適切
な材料には硫化亜鉛、セレン化亜鉛、ゲルマニウム、ヒ
化ガリウム、リン化ガリウム、テルル化カドミウム水銀
、およびテルル化カドミウムが含まれる。三元硫化物材
料、たとえば像化ランタンカルシウムも現在赤外線用と
して(%に8〜12μmの帯域における)開発され/]
RI ている。これらの三元硫化物材料は耐久性を若干改善し
つるが、これらの材料ですら上記の環境暴露に対し感受
性である。一般に上記材料はすべて比較的もろく、損傷
、特に高速水滴衝撃に際して受ける損傷に対する抵抗性
が比較的低い。
There are generally a relatively small number of materials that provide the best mechanical durability and performance for infrared imaging systems (particularly in the 8-12 μm infrared band).Suitable materials include zinc sulfide, These include zinc selenide, germanium, gallium arsenide, gallium phosphide, cadmium mercury telluride, and cadmium telluride. Ternary sulfide materials, such as imaged lanthanum calcium, are also currently available for infrared applications (8-12 μm in % developed/]
RI is there. Although these ternary sulfide materials offer some improvement in durability, even these materials are susceptible to the environmental exposures mentioned above. In general, all of the above materials are relatively brittle and have relatively low resistance to damage, particularly damage sustained during high velocity water drop impact.

同様に当技術分野で知られているように、光学素子を形
成する材料の屈折率がエネルギーを発生する媒体の屈折
率と著しく異なる場合、光学素子の表面に入射する光学
エネルギーはこの表面で反射されるであろう。一般に航
空システムについては、エネルギー発生媒体は約1の屈
折率をもつ空気である。従って光学工業においてはこの
種の反射損失を少なくするために光学素子の入射面上に
適宜な屈折率をもつ材料の被膜な施丁ことが一般的に行
われている。付着した厚さにおいて(これは一般に元の
波長の部分に関係する)、これらの被膜は赤外線帯域に
おいて透明である。しかしこれらの丸字的被膜はこれま
で屈折率の不整合により起こる反射損失ケ少なくする役
割をもち、光学素子の耐両性を高めるのには役立たなか
った。
As is also known in the art, if the refractive index of the material forming the optical element differs significantly from the refractive index of the energy generating medium, optical energy incident on the surface of the optical element will be reflected off this surface. will be done. Typically for aviation systems, the energy generating medium is air, which has a refractive index of about 1. Therefore, in the optical industry, in order to reduce this type of reflection loss, it is common practice to coat the entrance surface of an optical element with a material having an appropriate refractive index. At the deposited thickness, which generally relates to the original wavelength fraction, these coatings are transparent in the infrared range. However, these round-shaped coatings have hitherto had the role of reducing reflection loss caused by mismatching of refractive indexes, and have not been useful for increasing the ambivalence of optical elements.

当技術分野において、硬質炭素層、すなわち準ダイヤモ
ンド結合および実質的な光学的透明度をもつ炭素層はゲ
ルマニウム上に施された場合、ゲルマニウム光学素子を
降雨浸食によシ起こる衝撃損傷からある程度保護するこ
とが知られている。
It is known in the art that a hard carbon layer, i.e., a carbon layer with quasi-diamond bonds and substantial optical clarity, when applied over germanium, provides some protection to germanium optical elements from impact damage caused by rain erosion. It has been known.

ゲルマニウム上の硬質炭素については゛透過性材料にお
ける液体衝撃浸食機構”と題する雑文(ジエイ・イー・
フィールヅらによる)、最終論文1982年9月30日
〜1983年3月31日、コントラスト属AFO8R−
78−3705−D。
Hard carbon on germanium is discussed in a miscellaneous paper entitled ``Liquid impact erosion mechanism in transparent materials'' (G.E.
Fields et al.), final paper September 30, 1982 - March 31, 1983, contrast genus AFO8R-
78-3705-D.

論文16AFWAL−TR−83−4101中に記載さ
れている。硬質炭素表面は他の赤外線材料、たとえば硫
化亜鉛およびセレン化亜鉛に必ずしも効果的に付着しな
い。さらに硬質炭素被膜はゲルマニウム上においてすら
、上記雑文に記載されるように高速水滴衝撃に際し剥離
しやすい。そこには水滴衝撃の半径方向アウトフローに
より生じる剪断力が被膜をゲルマニウム層から剥離する
と理論づけられている。この剥離現象は硬質炭素層の厚
さが増大するのに伴って著しく増大すると考えられて(
・る。従って硬質炭素被膜層が厚いほど光学素子は衝撃
に対しさらに保護されるはずであるが、これは上記の剥
離の問題のため成功しなかった。硬質炭素に伴う他の同
順は、硬質炭素の屈折率が約2.45であり、多くの前
記光学材料、たとえば硫化亜鉛およびセレン化亜鉛の屈
折率よりも実質的に高いことである。従って光学素子を
硬質炭素被膜で被覆した場合、光学素子の入射面におけ
る反射損失は光学素子を被覆しなかった場合よりも高い
であろう。
It is described in paper 16AFWAL-TR-83-4101. Hard carbon surfaces do not always adhere effectively to other infrared materials, such as zinc sulfide and zinc selenide. Moreover, hard carbon coatings, even on germanium, tend to peel off upon impact with high-speed water droplets, as described in the above-mentioned miscellaneous article. It is theorized that the shear forces created by the radial outflow of the water droplet impact cause the coating to detach from the germanium layer. This peeling phenomenon is thought to increase significantly as the thickness of the hard carbon layer increases (
・Ru. A thicker hard carbon coating layer should therefore provide more protection to the optical element against impact, but this has not been successful due to the peeling problems mentioned above. Another parallel with hard carbon is that its refractive index is about 2.45, which is substantially higher than the refractive index of many such optical materials, such as zinc sulfide and zinc selenide. Therefore, when an optical element is coated with a hard carbon coating, the reflection loss at the entrance face of the optical element will be higher than when the optical element is uncoated.

当業界における第3の問題はこれらの材料の破壊強さに
関するものである。この場合も赤外線透過性(特に8〜
12pmの帯域)の窓に適した材料は大部分が低い破壊
強さをもつ。この特性は、素子が高圧領域を低圧領域か
ら分離しているこれらの素子の用途、すなわち素子が何
らかの静的または動的な機械的負荷のもとにある用途に
おいて特に重要である。″水滴による衝撃を受けたもろ
い材料における衝撃損失閾値”と題する雑文、ニー・ジ
ー・エバンスら、ジャーナル・オプ・アプライド・フィ
ジックス5)(5)2473〜2482頁(1980年
5月)の2481頁に、もろい材料の表面におけるマル
テンサイト補強(相変化)がこの種のもろい材料の調整
(tempering )に有用となりつるという説が
示されている。表面圧縮応力が有益であろうという説も
示されている。しかし上記雑文の著者らは彼らが”表面
圧縮”によって何を意味しているかについては何ら特別
に説明していない。これらのもろ(・材料は入射水滴が
材料の表面に衝撃を与えた際に表面圧縮を受ける。
A third problem in the industry concerns the fracture strength of these materials. In this case as well, infrared transmittance (especially 8~
Most materials suitable for windows in the 12 pm band have low breaking strength. This property is particularly important in applications of these devices where the device separates a high pressure region from a low pressure region, ie where the device is under some static or dynamic mechanical loading. Miscellaneous paper entitled "Impact Loss Threshold in Brittle Materials Shocked by Water Droplets", by N.G. Evans et al., Journal of Applied Physics 5) (5), pp. 2473-2482 (May 1980), p. 2481. It has been proposed that martensitic reinforcement (phase change) at the surface of brittle materials may be useful in tempering this type of brittle material. It has also been suggested that surface compressive stress may be beneficial. However, the authors of the above miscellaneous papers do not specifically explain what they mean by "surface compression." These materials undergo surface compression when an incident water droplet impacts the surface of the material.

本発明によれば、高速水滴衝撃に対し抵抗性の光学素子
は、第1のあらかじめ定められた弾性率(modsls
s of elasticity)Y:もつ第1材料の
基層、およびこれよりも高い第2の弾性率をもつ第2材
料の被膜を富む。この被覆層は光学素子の材料に結合し
、高速の水滴衝撃に際し遭遇する剪断応力により生じる
剥離に対し高度の抵抗性をもつ。好ましくは高弾性率の
被膜は光学素子を構成する材料の屈折率よりも低い屈折
率をもつ材料からなる。なお好1しくに、この材料は赤
外線に対して実質的に透明であり、かつ実質的に水不浴
性である。この形態によれば、より高弾性率の第2材料
はより低弾性率の材料からなる基層を衝撃損傷、特に高
速液滴衝撃により生じる衝撃損傷に対して保m−fる。
According to the invention, the optical element resistant to high velocity water drop impact has a first predetermined modulus of elasticity (modsls
s of elasticity) Y: a base layer of a first material with a base layer of a first material and a coating of a second material with a higher second modulus of elasticity. This coating layer bonds to the material of the optical element and is highly resistant to delamination caused by shear stresses encountered during high velocity water drop impact. Preferably, the high modulus coating is made of a material having a refractive index lower than that of the material constituting the optical element. Still preferably, the material is substantially transparent to infrared radiation and substantially water-impossible. According to this configuration, the higher modulus second material insulates the base layer of the lower modulus material against impact damage, particularly impact damage caused by high velocity droplet impact.

さらに剪断力により生じる剥離に対して高い抵抗性をも
つ被横材料は、高速の水滴衝撃に際して光学素子上に残
留し、これによシ光学素子を降雨浸食などの環境暴露か
ら保護する。
In addition, sheathing materials that are highly resistant to delamination caused by shear forces remain on the optical element upon high velocity water droplet impact, thereby protecting the optical element from environmental exposures such as rain erosion.

本発明の他の観点によれば、被膜は第1材料と第2材料
の混合物(好1しくけ均質な混合物)の複合被膜からな
る。これらの材料はそれぞれ基層を形成する材料の弾性
率の少なくとも2倍の弾性率をもつ。第2材料は第1材
料よりも実質的に高い弾性率をもち、第1材料は水に対
し不溶性かつ不活性であり、第2材料は水と反応性であ
る。この形態によれば、複合被膜は第1材料1層のみに
よシ得られる弾性率よりも高い弾性率をもつ層を光学素
子上に与える。ところが複合材料は第1材料が施されて
混合物を水の供給源から分離した場合は特に、水浴性お
よび水との反応性も比較的低いであろう。
According to another aspect of the invention, the coating comprises a composite coating of a mixture (preferably a homogeneous mixture) of a first material and a second material. Each of these materials has a modulus of elasticity at least twice that of the material forming the base layer. The second material has a substantially higher modulus than the first material, the first material is insoluble and inert to water, and the second material is reactive with water. According to this configuration, the composite coating provides a layer on the optical element with a higher modulus of elasticity than would be obtained with just one layer of the first material. However, the composite material may also have relatively low bathability and reactivity with water, especially if the first material is applied to separate the mixture from the water source.

本発明の他の観点によれば、基層の材料はケイ素、ゲル
マニウム、ヒ化ガリウム、リン化ガリウム、テルル化カ
ドミウム、テルル化カドミウム水銀、硫化亜鉛およびセ
レン化亜鉛、より好1しくはテルル化カドミウム、硫化
亜鉛、セレン化亜鉛または三元硫化物、たとえば硫化ラ
ンタンカルシウムよりなる群から選ばれる。第1被膜層
を構成する高弾性率の赤外線透過性材料は酸化イツ) 
IJウム、酸化スカンジウム、ならびに酸化イツトリウ
ムと酸化マグネシウムの均質な組成物、酸化スカンジウ
ムと酸化マグネシウムの組成物、および酸化スカンジウ
ムと酸化イツトリウムの混合物よシなる群から選ばれる
。この形態によれば8〜12μ常の波長の帯域で操作し
つる光学素子のための耐衝撃性反射防止被膜が施され、
この種の素子を降雨浸食または高速の水滴衝撃により起
こる損傷に対しより抵抗性にする。
According to another aspect of the invention, the base layer material is silicon, germanium, gallium arsenide, gallium phosphide, cadmium telluride, cadmium mercury telluride, zinc sulfide and zinc selenide, more preferably cadmium telluride. , zinc sulfide, zinc selenide or ternary sulfides such as lanthanum calcium sulfide. The high modulus infrared transparent material that makes up the first coating layer is oxidized)
IJum, scandium oxide, and homogeneous compositions of yttrium oxide and magnesium oxide, compositions of scandium oxide and magnesium oxide, and mixtures of scandium oxide and yttrium oxide. According to this embodiment, an impact-resistant anti-reflection coating for optical elements operating in the wavelength band of 8 to 12 microns is applied,
This makes this type of element more resistant to damage caused by rain erosion or high velocity water drop impact.

本発明のさらに他の観点によれば、第1弾性率をもつ赤
外線透明な第1材料からなる光学的に透明な素子が、光
学素子の材料の弾性率よりも実質的に高い第2弾性率、
および光学素子の材料の屈折率よシも小さい屈折率をも
つ第1層を含む複合被膜により、高速水滴衝撃から保護
される。第1被膜層の材料は、高速液滴衝撃を受ける際
に液滴の半径方向アウトフローにより生じる剪断応力に
応答して光学素子の材料から剥離するのに対して実質的
に抵抗性である。複合被膜の第2層は比較的高い第3弾
性率をもつ第3材料からなる。この弾性率は光学素子層
を構成する第1材料の弾性率よりも高く、かつ好1しく
け第1被膜層の第2材料のものよりも高(・0第2被膜
層を構成する第3材料は赤外線に対して実質的に透明で
あり、かつ第1被膜層の第2材料の屈折率よりも高い屈
折率をもつ。第2被膜層を構成する第3材料も複合被膜
の第1層の第2材料からの剥離に対して実質的に抵抗性
であるが、光学素子の第1材料に対する剥離抵抗性は比
較的乏しくてもよい。この形態によれば、半径方向アウ
トフローにより誘発される光学素子からの材料の剥離に
対する実質的な抵抗性を備え、さらに半径方向アウトフ
ローにより誘発される第2被膜層の第3材料の剥離に対
する実質的な抵抗性を備えた材料の第1層を介在させる
ことにより、半径方向アウトフローにより誘発される剥
離に対して実質的に抵抗性であり、さらに第1材料のも
のよりも大きな弾性率をもつ複合被膜が得られる。この
複合被膜により保護被膜の有効物理的厚さを富めること
ができ、複合破膜層と光学素子の組合わせの光学特性Z
なお維持するかまたは恐らくは改良しつる。
According to yet another aspect of the invention, the optically transparent element comprising a first infrared transparent material having a first modulus of elasticity has a second modulus of elasticity that is substantially higher than the modulus of the material of the optical element. ,
and a first layer having a refractive index less than that of the material of the optical element, which provides protection from high-velocity water droplet impact. The material of the first coating layer is substantially resistant to delamination from the material of the optical element in response to shear stress caused by radial outflow of the droplet upon high velocity droplet impact. The second layer of the composite coating is comprised of a third material having a relatively high third modulus. This elastic modulus is higher than that of the first material constituting the optical element layer, and preferably higher than that of the second material of the first coating layer (.0) of the third material constituting the second coating layer. The material is substantially transparent to infrared radiation and has a refractive index higher than the refractive index of the second material of the first coating layer.The third material constituting the second coating layer also has a refractive index that is higher than the refractive index of the second material of the first coating layer. may be substantially resistant to delamination from the second material of the optical element, but the delamination resistance of the optical element to the first material may be relatively poor. According to this configuration, the radial outflow induced delamination a first layer of material having substantial resistance to delamination of the material from the optical element and further having substantial resistance to delamination of a third material of the second coating layer induced by radial outflow; The interposition of the protective coating results in a composite coating that is substantially resistant to radial outflow-induced delamination and also has a modulus of elasticity greater than that of the first material. The effective physical thickness of the coating can be increased, and the optical properties Z of the combination of composite membrane rupture layer and optical element can be increased.
Still maintaining or perhaps improving the vine.

本発明の他の観点によれば、光学素子の第1材料はケイ
素、ゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化ガリウム、テ
ルル化カドミウム水銀、テルル化カドミウム、硫化亜鉛
およびセレン化亜鉛、あるいは三元硫化物よりなる群か
ら選ばれる。好1しくけこの材料はテルル化カドミウム
、硫化亜鉛およびセレン化亜鉛よシなる群から選ばれる
。第1被膜の第2材料は酸化イツトリウム、酸化スカン
ジウム、またけ酸化イツトリウムもしくtap化スカ/
ジウムと酸化マグネシウムの混合物よりなる群から選ば
れる。第2被膜の第3材料は酸化セリウム、酸化チタン
、酸化ジルコニウムまたは硬質炭素よりなる群から選ば
れる。この種の形態によれば、光学素子の第1材料およ
び第2被膜層(特に硬質炭素層)の双方に十分に結合し
た第1被膜層を構成する第2材料を介在させることによ
って、一般に硬質炭素に伴う大部分の8〜12μm光学
素子への付着の問題が除かれる。さらに、硬質炭素など
の材料は反射防止性材料、たとえば硫化亜鉛、セレン化
亜鉛またはテルル化カドミウムに対し適切な屈折率をも
たないので、硬質炭素層を低屈折率の第1被膜層と組合
わせて使用し、屈折率が効果的に低下した複合材料を得
ることができる。
According to another aspect of the invention, the first material of the optical element is silicon, germanium, gallium arsenide, gallium phosphide, cadmium mercury telluride, cadmium telluride, zinc sulfide and zinc selenide, or ternary sulfides. selected from the group consisting of. Preferably, the material is selected from the group consisting of cadmium telluride, zinc sulfide and zinc selenide. The second material of the first coating is yttrium oxide, scandium oxide, yttrium oxide, or tapped sulfur/sulfur oxide.
selected from the group consisting of a mixture of dium and magnesium oxide. The third material of the second coating is selected from the group consisting of cerium oxide, titanium oxide, zirconium oxide or hard carbon. According to this type of configuration, generally a hard Adhesion problems associated with carbon on most 8-12 μm optics are eliminated. Additionally, since materials such as hard carbon do not have adequate refractive indices for antireflective materials, such as zinc sulfide, zinc selenide, or cadmium telluride, the hard carbon layer is combined with a low refractive index first coating layer. When used in combination, a composite material with an effectively reduced refractive index can be obtained.

本発明のさらに他の観点によれば、複数の低屈折率、高
弾性率の材料、次いで高屈折率、高弾性率の材料が交互
に積重なって多層反射防止性耐衝撃被膜を形成したもの
からなる複合層によって光学素子が保護される。この種
の形態によれば、この被膜は、複合多層被膜の物理的全
厚が大きく、耐衝撃性が増大するという利点と共に、広
帯域反射防止性または他の光学的機能、たとえばフィル
ター効果を与えるべく設計することができる。好1しく
け低屈折率、高弾性率の材料は酸化イツトリウム、酸化
スカンジウム、または酸化イツトリウムもしくは酸化ス
カンジウムと酸化マグネシウムの混合物よりなる群から
選ばれ、高屈折率、高弾性率の材料は酸化セリウム、酸
化チタン、酸化ジルコニウムまたは硬質炭素よりなる群
から選ばれる。光学素子を構成する材料はケイ素、ゲル
マニウム、ヒ化ガリウム、リン化ガリウム、テルル化カ
ドミウム、テルル化カドミウム水銀、硫化亜鉛およびセ
レン化亜鉛あるいは三元硫化物よりなる群から選ばれる
According to yet another aspect of the present invention, a plurality of low refractive index, high modulus materials are alternately stacked together to form a multilayer antireflective impact coating. The optical element is protected by a composite layer consisting of: According to this type of configuration, the coating has the advantage of a large total physical thickness of the composite multilayer coating and increased impact resistance, as well as to provide broadband antireflection or other optical functions, such as filtering effects. can be designed. Preferably, the material with a low refractive index and high elastic modulus is selected from the group consisting of yttrium oxide, scandium oxide, or a mixture of yttrium oxide or scandium oxide and magnesium oxide, and the material with a high refractive index and high elastic modulus is cerium oxide. , titanium oxide, zirconium oxide or hard carbon. The material constituting the optical element is selected from the group consisting of silicon, germanium, gallium arsenide, gallium phosphide, cadmium telluride, cadmium mercury telluride, zinc sulfide and zinc selenide or ternary sulfides.

本発明のさらに他の観点によれば、耐衝撃性の調整光学
素子は初期破壊強さをもつ光学材料の基層を含む。光学
材料の基層上に、圧縮された1層の材料からなる被膜が
配置される。この圧縮材料層は光学材料の基層の厚さと
比較して実質的により小さな全厚をもつ。この種の形態
によれば、圧縮材料層は液滴衝撃に際して遭遇する引張
り応力波成分が表面の微細欠陥に与える影響を緩和して
、それらが光学素子の表面全体に生長するのを防ぐ傾向
を示すであろう。この圧縮領域は引張り応力波成分に応
答してそれらの微細欠陥を閉じ、それらが生長するのを
防止し、これにより引張り応力波成分を低減させ、これ
を補償する傾向を示すであろう。この引張り応力成分を
低減させることにより、光学素子の表面における水滴衝
撃から生じる損傷は緩和され、従って比較的もろい材料
に。
According to yet another aspect of the invention, an impact resistant tuning optical element includes a base layer of an optical material having an early failure strength. A coating of a compressed layer of material is disposed over the base layer of optical material. This compressed material layer has a substantially smaller overall thickness compared to the thickness of the base layer of optical material. According to this type of configuration, the compressed material layer tends to dampen the impact of the tensile stress wave components encountered during droplet impact on the surface micro-defects and prevent them from growing over the entire surface of the optical element. will show. This compressed region will respond to the tensile stress wave component and tend to close those micro-defects and prevent them from growing, thereby reducing and compensating for the tensile stress wave component. By reducing this tensile stress component, damage resulting from water droplet impact on the surface of the optical element is mitigated, thus resulting in a relatively brittle material.

降雨により生じる損傷に対し抵抗性の調整面が与えられ
る。この調整面は同時に光学素子の破壊強さを増大させ
る。
A conditioning surface is provided that is resistant to damage caused by rainfall. This adjustment surface simultaneously increases the fracture strength of the optical element.

本発明の他の観点によれば、高速衝撃に際して遭遇する
損傷に抵抗すべく調整された光学素子は、光学材料から
なる基層を含み、その表面にはその材料の圧縮層が配置
されて(・る。圧縮材料層はその層中に配#された多数
の溝を昔み、これらの溝は隣接領域の圧縮層により分離
され、それらの溝の下方には圧縮層材料の一部が配置さ
れている。
According to another aspect of the invention, an optical element tailored to resist damage encountered during high-velocity impact includes a base layer of an optical material, on the surface of which a compressed layer of the material is disposed. A layer of compressed material has a number of grooves disposed in the layer, these grooves are separated by adjacent regions of the compressed layer, and below the grooves a portion of the compressed layer material is disposed. ing.

好寸しくけ光学材料の圧縮領域の厚さは3ミクロン以下
である。溝は一般に深さ10〜10.00 OA 、幅
Q、01〜002龍である。この形態によれば、高速の
推進衝撃に際して遭遇する損傷に対して高度に抵抗性で
ある調整、光学素子が提供される。
The thickness of the compressed region of the compact optical material is 3 microns or less. The groove is generally 10-10.00 OA deep, Q width, 01-002 OA. This configuration provides a tuning optical element that is highly resistant to damage encountered during high speed propulsion shocks.

本発明のさらに他の観点によれば、光学素子の調整法は
多数の溝を光学素子に機械加工する工程からなり、これ
らの溝は一般に10〜10,0001の深さをもち、隣
接する溝の間およびこれらの溝の下側にその光学材料の
圧縮領域を備えている。
In accordance with yet another aspect of the invention, a method for adjusting an optical element comprises machining a plurality of grooves into the optical element, the grooves generally having a depth of 10 to 10,000 mm and adjacent grooves. Between and under these grooves are compressed regions of the optical material.

本発明のさらに他の観点によれば、光学材料の表面調整
法は光学素子をシングルポイント機械加工して、光学素
子の表面に厚さ05〜3.0層mの圧縮層を施す工程を
含む。圧縮層は深さ10〜1o、o o o iの多数
の溝を含み、隣接する溝は光学素子の材料の圧縮層の一
部によって隔てられている。tE−1しくI/−1溝は
、シングルポイントダイヤモンド工具が回転光学素子の
表面と接触した状態で、光学素子をあらかじめ定められ
た速度で回転させることにより光学材料中に導入される
。この工具は上記圧縮層が施される座で、あらかじめ定
められた速度で光学素子の表面に施される。この方法に
よれば、光学材料の表面をシングルポイント機械加工す
ることによって光学素子材料の圧縮層が施される。この
圧縮層は光学素子を補強し、高速水滴衝撃に際して生じ
る表面付近の引張り応力を緩和または低減させることに
よって、高速液滴衝撃により生じる光学素子への損傷を
防止するのを助けるであろう。
According to yet another aspect of the invention, a method for surface conditioning an optical material includes single-point machining an optical element to apply a compressed layer with a thickness of 05 to 3.0 m on the surface of the optical element. . The compressed layer includes a number of grooves with a depth of 10 to 1o, o o o i, with adjacent grooves separated by a portion of the compressed layer of material of the optical element. The tE-1 and I/-1 grooves are introduced into the optical material by rotating the optical element at a predetermined speed with a single point diamond tool in contact with the surface of the rotating optical element. This tool is the seat on which the compressed layer is applied to the surface of the optical element at a predetermined speed. According to this method, a compressed layer of optical element material is applied by single point machining of the surface of the optical material. This compressive layer will stiffen the optical element and help prevent damage to the optical element caused by high-velocity droplet impact by relieving or reducing near-surface tensile stresses that occur during high-velocity droplet impact.

本発明のさらに他の観点によれば、耐衝撃性の調整光学
素子は初期破壊強さをもち、かつあらかじめ定められた
第1弾性率をもつ光学素子材料を含む0この基層上に光
学材料の圧縮層が配置されている。圧縮材料層の全厚は
光学材料の基層と比較して実質的に小さく、一般に1〜
3ミクロンである。この圧縮層上に、光学素子の基層を
形成する材料のものよりも高い第2弾性率をもつ第2材
料の被膜層が配置されている。この被膜層は光学材料の
圧縮層に結合し、高速水滴衝撃に際して遭遇する剪断応
力により生じる剥離に対し高度の抵抗性ケもつ。この形
態によれば、圧縮層と被膜層の組合わせによって高い耐
衝撃性および強度特性をもつ光学素子が提供される。外
側の被膜層はより高い第2弾性率をもつ材料の被膜を与
え、これによってより低い弾性率の材料からなる下側の
基層を高速液滴衝撃などによシ受ける衝撃損傷に対して
保護する。さらに圧縮材料屑は液滴衝撃に際して遭遇す
るこの引張り応力波成分の影響を緩和する傾向を示すで
あろう。従ってこれら2種の技術を組合わせることによ
って、実質的に改善された耐衝撃性および破壊強度をも
つ光学素子が提供されるであろう。
According to yet another aspect of the invention, an impact-resistant adjustable optical element includes an optical element material having an initial fracture strength and a predetermined first modulus of elasticity. A compression layer is arranged. The total thickness of the compressed material layer is substantially small compared to the base layer of optical material, typically between 1 and
It is 3 microns. Disposed on this compression layer is a coating layer of a second material having a second modulus higher than that of the material forming the base layer of the optical element. This coating layer is bonded to the compressed layer of optical material and is highly resistant to delamination caused by shear stresses encountered during high velocity water drop impact. According to this embodiment, the combination of the compression layer and the coating layer provides an optical element with high impact resistance and strength properties. The outer coating layer provides a coating of material with a higher second modulus of elasticity, thereby protecting the underlying base layer of lower modulus material from impact damage, such as from high velocity droplet impact. . Additionally, compressed material debris will tend to buffer the effects of this tensile stress wave component encountered upon droplet impact. Therefore, the combination of these two techniques will provide an optical element with substantially improved impact resistance and fracture strength.

以上の本発明の特色および本発明そのものは、図面に関
する以下の詳細な説明からより十分に理解されるであろ
う。
The above features of the present invention, as well as the present invention itself, will be more fully understood from the following detailed description in conjunction with the drawings.

第1図は基層および本発明による保護層からなる光学素
子(ここではプレート)の等測投影図である。
FIG. 1 is an isometric projection of an optical element (here a plate) consisting of a base layer and a protective layer according to the invention.

第2図は第1図の線2−2に沿って得た分解組立断面図
であり、本発明の一観点による単一層液膜からなる保護
層を示す。
FIG. 2 is an exploded cross-sectional view taken along line 2--2 of FIG. 1, illustrating a protective layer comprised of a single layer liquid film in accordance with one aspect of the present invention.

第3図は第1図の線3−3に沿って得た分解組立断面図
であり、本発明の他の観点による一対の被膜層からなる
層を示す。
FIG. 3 is an exploded cross-sectional view taken along line 3--3 of FIG. 1 illustrating a pair of coating layers in accordance with another aspect of the present invention.

第4図は第1図の線4−4に沿って得た分解組立立面図
であり、本発明のさらに他の観点による複数対の高屈折
率および低屈折率交互の被膜層からなる層を示す。
FIG. 4 is an exploded elevational view taken along line 4--4 of FIG. shows.

第5A〜5D図は異なる弾性率をもつ被膜について、半
径方向応力低下を液滴衝撃の中心からの正規化距離の関
数として示す一連のグラフである(先行技術)。
Figures 5A-5D are a series of graphs showing radial stress drop as a function of normalized distance from the center of drop impact for coatings with different moduli (prior art).

第6図は変化率25,4鰭/時間(1インチ/時間)、
速度724に4臂間(450情ph)、衝撃角度90″
および雨滴寸法2朋の加速降雨場に暴露された未被覆Z
nS 表面の顕微鏡写真である。
Figure 6 shows a rate of change of 25.4 fins/hour (1 inch/hour);
Speed 724, 450 mph, impact angle 90''
and uncoated Z exposed to an accelerated rain field with raindrop size 2.
This is a micrograph of the nS surface.

第7図に第6図に示したものと同一の加速降雨場に暴露
された、本発明による反射防止(AR)被覆表面の顕微
鏡写真である。
FIG. 7 is a photomicrograph of an anti-reflection (AR) coated surface according to the present invention exposed to the same accelerated rain field as shown in FIG.

第8図は厚さ5.(181111 (0,20インチ)
の被覆ZnS プレートについての透過百分率対波長の
プロットである。
Figure 8 shows the thickness of 5. (181111 (0,20 inch)
Figure 2 is a plot of percentage transmission versus wavelength for a coated ZnS plate.

第9図はドームの一部の断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view of a portion of the dome.

第10図は第11図に示したドームの表面部分の断面拡
大図である。
FIG. 10 is an enlarged sectional view of the surface portion of the dome shown in FIG. 11.

第11図は微細組織欠陥をもつ一般の光学素子の表面に
降りかかった雨滴の断面略図である。
FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of a raindrop falling on the surface of a general optical element having microstructural defects.

第12図は本発明の他の観点による圧縮層に降りかかっ
た水滴の断面略図である。
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view of a water droplet falling on a compressed layer according to another aspect of the invention.

第13図は第12図に示す圧縮層に衝撃を与えた水滴の
拡大図である。
FIG. 13 is an enlarged view of a water droplet impacting the compressed layer shown in FIG. 12.

第14A、14B図はそれぞれ常法により研摩したドー
ム表面および本発明方法により調整した(シングルポイ
ント−ダイヤモンド加工)ドーム表面の顕微鏡写真であ
る。
Figures 14A and 14B are micrographs of a dome surface polished by a conventional method and a dome surface prepared by the method of the present invention (single point diamond processing), respectively.

第15図は常法により研摩したZnS 表面および調整
ZnS  ディスク表面についてヌープ硬度数を荷重の
関数としてプロットしたものを示す(lhss微小硬度
)。
FIG. 15 shows a plot of Knoop hardness number as a function of load (lhss microhardness) for a conventionally polished ZnS surface and a conditioned ZnS disk surface.

第16図は一般的な硬度差(ヌープ)を調整ZnE; 
 ディスクの圧縮表面内への侵入深さの関数としてプロ
ットしたものである。
Figure 16 shows general hardness difference (Knoop) adjusted ZnE;
It is plotted as a function of penetration depth into the compressed surface of the disk.

第17A117B図はそれぞれ常法により研摩したZn
S  レンズおよび本発明により調整したZ n S 
 レンズ(DPM、ダイヤモンドポイント加工)の、そ
れぞれ加速降雨場に暴露したのちの表面の顕微鏡写真で
ある。
Figures 17A and 117B show Zn polished by a conventional method.
S lens and Z n S lens adjusted according to the invention
These are micrographs of the surfaces of lenses (DPM, diamond point processing) after being exposed to an accelerated rain field.

第18A、18E図はそれぞれ常法によシ研摩したラッ
プ仕上げZr’l  レンズ(不規則)、および本発明
により調整した(ダイヤモンドポイント加工)、圧縮層
により生じるディストーションを示すラップ仕上げZn
S  レンズ(高度の凹形)の顕微鏡写真である。
Figures 18A and 18E are respectively a lapped Zr'l lens (irregular) polished by a conventional method and a lapped Zn lens adjusted according to the invention (diamond point processing) showing the distortion caused by the compressed layer.
A micrograph of an S lens (highly concave).

第19図は本発明の他の観点による光学材料圧縮層およ
び被膜層を備えたプレートまたはドームなどの光学素子
の一部の断面図である。
FIG. 19 is a cross-sectional view of a portion of an optical element, such as a plate or dome, with a compressed layer of optical material and a coating layer according to another aspect of the invention.

第1図を診照すると、光学素子(ここではプレート)1
0があらかじめ定められた光学特性を備えた材料からな
る基層12を営むものとして示される。光学素子はここ
では特にプレートであるとして示されるが、他の型の光
学素子、たとえば窓、ドーム、レンズなど、平面以外の
形状をもつものを上記のプレートの代わりに採用できる
と解される。一般的な基層12は少なくとも1.3++
m(0,05インチ)、一般に2.5〜12.7龍(0
1〜約05インチ)以上の厚さをもつであろう。光学素
子はさらに選択的光学特性を備えていてもよい。たとえ
ば光学素子は一般に赤外、可視および/または紫外スペ
クトルの光エネルギーに対し透明な材料からなっていて
もよい。この材料は誘電体または半導体であってもよい
。特に8〜12μmの波長範囲の赤外線画像形成システ
ムに用いられる光学素子については、好ましい材料の例
にはケイ素、ゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化ガリ
ウム、テルル化カドミウム水銀、テルル化カドミウム、
硫化亜鉛、セレン化亜鉛、または三元硫化物の1種が含
1れる。#12を構成する選ばれた材料を既知のいずれ
かの方法、たとえば粉末圧縮法(powdercomp
actioncdansification ) 4た
は化学蒸着法により加工することができる。特に赤外線
用としては、層12のために選ばれた材料は一般に3.
5 x 10’ 〜10.5 x 10を9/c+++
2(5x 10’ 〜15X106psi)の比較的低
い弾性率、高い赤外線エネルギー透過率(一般に2.0
〜3,0μ常の赤外線波長帯域の少なくとも一部にわた
って50〜75チ)、および10ミクロンにおいて一般
に2.2〜4.0の屈折率をもつことを一般に特色とす
る。これらの材料のうち若干についての関連する機械的
および光学的特性を表1に示す。
Referring to Figure 1, the optical element (here plate) 1
0 is shown as comprising a base layer 12 of a material with predetermined optical properties. Although the optical elements are specifically shown here as plates, it is understood that other types of optical elements, such as windows, domes, lenses, etc., having shapes other than planar may be employed in place of the plates described above. Typical base layer 12 is at least 1.3++
m (0,05 inch), generally 2.5 to 12.7 dragon (0
1 to about 0.5 inches) or more. The optical element may further include selective optical properties. For example, the optical element may be comprised of a material that is generally transparent to light energy in the infrared, visible, and/or ultraviolet spectrum. This material may be dielectric or semiconductor. For optical elements used in infrared imaging systems, particularly in the wavelength range of 8-12 μm, examples of preferred materials include silicon, germanium, gallium arsenide, gallium phosphide, cadmium mercury telluride, cadmium telluride,
Contains one of zinc sulfide, zinc selenide, or ternary sulfides. The selected materials making up #12 may be processed by any known method, such as powder compaction.
It can be processed by chemical vapor deposition or chemical vapor deposition. Particularly for infrared applications, the materials chosen for layer 12 are generally 3.
5 x 10' ~ 10.5 x 10 to 9/c+++
2 (5x 10' ~ 15X106 psi), high infrared energy transmission (typically 2.0
It is generally characterized by having a refractive index of 2.2 to 4.0 over at least a portion of the infrared wavelength band of ~3.0 microns (50 to 75 microns) and 10 microns. The relevant mechanical and optical properties for some of these materials are shown in Table 1.

R%は対応する材料上に施された後記Y2O3の四分の
一波長反射防止性(AR)単層被膜により生じる反射損
失(表面当たり)である。基層12上に耐衝撃性の反射
防止被膜層11が配置されている。ここでは層11は論
じようとしている構造のいずれであってもよいと述べる
だけで十分である。
R% is the reflection loss (per surface) caused by a quarter wave anti-reflective (AR) single layer coating of Y2O3 on the corresponding material. Disposed on the base layer 12 is an impact-resistant anti-reflection coating layer 11 . Suffice it to say here that layer 11 can be any of the structures discussed.

次いで第2図を参照すると、被膜層11は基層12を構
成する材料の上方に(好ましくは材料上に)配置された
第1保護層14を含むものとして示される。保護層14
は基層120弾性率よシも実質的に高い弾性率、付着し
た厚さにおいて光学素子の選ばれた波長帯域にわたって
高度の赤外線透明性、および好ましくは基層12を構成
する材料の屈折率よりも低い屈折率をもつ材料からなる
Referring now to FIG. 2, coating layer 11 is shown as including a first protective layer 14 disposed over (and preferably over) the material comprising base layer 12. As shown in FIG. Protective layer 14
has a substantially higher modulus of elasticity than the base layer 120, a high degree of infrared transparency over the selected wavelength band of the optical element at the deposited thickness, and preferably a refractive index lower than the refractive index of the material comprising the base layer 12. Made of material with a refractive index.

さらに付着した材料は層12の材料に対する高度の付着
性を備え、特に高速液滴衝撃(たとえば水滴衝撃)の半
径方向アウトフローにより誘発される剪断応力によって
生じる剥離に対して高度に抵抗性である。層14はイオ
ンビームスパッター法、ダイオードスパッター法または
蒸着法などいかなる方法によっても付着させることがで
きる。さらに層14は、層12を有機ビヒクルおよび高
弾性率材料からなる溶液中に浸漬することによってプレ
ート12上に施すこともできる。プレートをこの種の材
料の溶液に浸漬したのちこの溶液から取出し、オーブン
に入れ、ここで有機ビヒクルを駆出させる。あるいはビ
ヒクルおよび被膜材料の混合物をあらかじめ定められた
温度に加熱された基層12上に噴霧乾燥することにより
被膜を付着させることができる。これらの各被覆様式に
よれば、基層12上に均一な被膜層14を形成するため
の比較的安価な方法が提供される。前記の基層材料に適
した被膜材料には酸化イツトリウム(Y2O2)、酸化
マグネシウム(MyO)および酸化スカンジウム(Sc
20a)、ならびにこれらの材料の均質な混合物が含ま
れる。これらの材料についての関連の機械的および光学
的特性を表2に示す。
Furthermore, the deposited material has a high degree of adhesion to the material of layer 12 and is particularly highly resistant to delamination caused by shear stresses induced by the radial outflow of high velocity droplet impact (e.g. water droplet impact). . Layer 14 can be deposited by any method such as ion beam sputtering, diode sputtering, or evaporation. Additionally, layer 14 can be applied onto plate 12 by dipping layer 12 into a solution of an organic vehicle and a high modulus material. The plate is immersed in a solution of such material and then removed from the solution and placed in an oven where the organic vehicle is driven off. Alternatively, the coating can be applied by spray drying a mixture of vehicle and coating material onto the substrate 12 heated to a predetermined temperature. Each of these coating formats provides a relatively inexpensive method for forming a uniform coating layer 14 on base layer 12. Suitable coating materials for the base layer materials include yttrium oxide (Y2O2), magnesium oxide (MyO) and scandium oxide (Sc).
20a), as well as homogeneous mixtures of these materials. The relevant mechanical and optical properties for these materials are shown in Table 2.

被覆層14に用いる材料を選ぶ際に考慮すべき主な因子
は、選ばれた材料が被膜層14の材料を付着させる厚さ
において、光学素子の目的用途に適した光学特性をもた
なければならないことである。さらに被膜層14の材料
は一般に基層12の材料の弾性率の少なくとも約2倍の
弾性率をもたなければならない。さらに光学素子1oの
目的用途が被膜層14を水に暴露するものである場合、
被膜層14の材料は水に不溶性がっ安定性でなければな
らない。反射防止修正を施すためには、被膜層14の材
料の屈折率は好ましくは基層12の材料の屈折率よりも
小さい。一般に屈折率約1.00の空気と基層12の材
料の間の反射防止修正のためには、被膜に要求される屈
折率(R,、)は基層12の材料の屈折率と周囲の媒質
の屈折率の算術平均にほぼ等しいC% 、、= 旨) 
o  大部分の材料について一般に知られているように
、屈折率は波長分散の関数として変化する。従って、こ
の反射防止修正も波長の関数として変化する。
The main factor to consider when choosing the material for coating layer 14 is that the selected material must have optical properties suitable for the intended use of the optical element at the thickness at which the coating layer 14 material is deposited. It must not happen. Additionally, the material of coating layer 14 should generally have a modulus of elasticity that is at least about twice that of the material of base layer 12. Furthermore, if the intended use of the optical element 1o is to expose the coating layer 14 to water,
The material of coating layer 14 must be stable and insoluble in water. To provide anti-reflection modification, the refractive index of the material of coating layer 14 is preferably less than the refractive index of the material of base layer 12. For antireflection modification between air and the substrate 12 material, which typically has a refractive index of about 1.00, the required refractive index (R,) of the coating is the refractive index of the substrate 12 material plus the surrounding medium. C%, which is approximately equal to the arithmetic mean of the refractive index)
o As is generally known for most materials, the refractive index varies as a function of wavelength dispersion. Therefore, this antireflection modification also varies as a function of wavelength.

好1しくは層14は基層12上にその光学素子に対し目
的とする特定の波長における四分の一波長に相当する物
理的厚さにまで付着する。一般にこの種の素子の光学厚
さくto)は被膜14の物理的厚さく1)と被膜14の
材料の屈折率(ttc)の積であると定義される(t6
=t−nc)。光学厚さλ/4に望まれる物理的厚さは
1=(λ/4)/nc  により示され、式中λはその
光学素子が目的とする特定の波長であり、ncは目的波
長における被膜の屈折率である。そこで当業者には認識
されるであろうが、光学厚さくto>はより高いオーダ
ーの厚さ、たとえば3λ/4または5λ/4であり、従
って物理的厚さtはt=[(2N+1)λ/a:)/n
c  により与えられる。式中Nは整数0.1.2.3
、……である。従って層14の物理的厚さtlr増大さ
せると基層12に対してより大きな耐衝撃性保護が得ら
れ、一方良好な反射防止性および光透過性はなお維持さ
れる。たとえば10.6ミクロンにおいて屈折率n 、
= 1.63をもつ材料y2o、については、10.3
ミクロンにおけるλ/4単層の最適厚さは約1.63ミ
クロンであろう。
Preferably, layer 14 is deposited on base layer 12 to a physical thickness corresponding to a quarter wavelength at the particular wavelength of interest for the optical element. Generally, the optical thickness to) of this type of element is defined as the product of the physical thickness 1) of the coating 14 and the refractive index (ttc) of the material of the coating 14 (t6
=t-nc). The physical thickness desired for optical thickness λ/4 is given by 1=(λ/4)/nc, where λ is the specific wavelength for which the optical element is intended and nc is the coating thickness at the desired wavelength. is the refractive index of As will be recognized by those skilled in the art, the optical thickness to> is a higher order thickness, e.g. 3λ/4 or 5λ/4, and thus the physical thickness t is t=[(2N+1) λ/a:)/n
It is given by c. In the formula, N is an integer 0.1.2.3
,...is. Thus, increasing the physical thickness tlr of layer 14 provides greater impact protection for base layer 12 while still maintaining good antireflection and light transmission. For example, the refractive index n at 10.6 microns,
For material y2o, with = 1.63, 10.3
The optimum thickness for a λ/4 monolayer in microns would be about 1.63 microns.

次いで第3図を参照すると、プレート10は基層12お
よびその少なくとも第1面上に配置された被膜層11を
含むものとして示されている。この場合被膜層11は反
射防止性の耐衝撃性複合層15である。層15は基層1
2の材料の屈折率よりも小さな屈折率をもち、かつ基層
12の材料に対し良好な付着性を備えた高弾性率材料の
前記被膜層14を含むものとして示されている。この第
1被膜層14上に、基材12および第1被膜層14の双
方の材料のものよりも実質的に高い弾性率をもち、より
高い屈折率をもつ第2材料からなる第2被膜層16が配
置されている。この第2被膜層16に適した材料には酸
化セリウム、酸化チタン、酸化ジルコニウムおよび硬質
炭素が含まれる。これらの例のうち硬質炭素が最高の弾
性率をもつため好ましい。しかし前記のように、硬質炭
素は特に8〜12μ常の光の波長において基層12用と
して好ましい材料に含まれるセレン化亜鉛、硫化亜鉛な
どに必ずしも十分に付着しない。
Referring now to FIG. 3, plate 10 is shown as including a base layer 12 and a coating layer 11 disposed on at least a first side thereof. In this case, the coating layer 11 is an antireflective, impact-resistant composite layer 15. Layer 15 is base layer 1
The coating layer 14 is shown to include the coating layer 14 of a high modulus material having a refractive index less than that of the material of the base layer 12 and having good adhesion to the material of the base layer 12. On this first coating layer 14 is a second coating layer comprising a second material having a substantially higher modulus of elasticity and a higher refractive index than those of the materials of both the substrate 12 and the first coating layer 14. 16 are arranged. Suitable materials for this second coating layer 16 include cerium oxide, titanium oxide, zirconium oxide and hard carbon. Of these examples, hard carbon is preferred because it has the highest modulus of elasticity. However, as mentioned above, hard carbon does not always adhere well to zinc selenide, zinc sulfide, etc., which are among the preferred materials for the base layer 12, especially at wavelengths of light of 8 to 12 microns.

これらの材料についての関連の機械的および光学的特性
を表3に示す。
The relevant mechanical and optical properties for these materials are shown in Table 3.

表  3 層16に用いる相打の特性 硬質炭素フィルムは適切な方法のいずれによっても付着
させることができる。たとえばイオンビーAスパッター
法、および炭化水素含有蒸気の分解を伴う化学蒸着法を
採用することができる。硬質炭素層は前記のように大部
分の赤外線用材料に必ずしも十分には付着しないが、こ
の種の硬質炭素層は第1被膜層14に用いるのに適した
材料に(ARN は付着すると考えられる。前記のように層14に適した
材料にはMgO,5c203およびY2O,が含まれる
。一般に硬質炭素はこれらのものを含む種々の型の酸化
物にきわめて良好に付着する。従って被膜層14をきわ
めて高弾性率の層16と基層12の間に介在させること
によって、きわめて高弾性率の16の材料がもつ耐衝撃
性という利点が反射防止性、高耐衝撃性の複合層15を
もたらし、基層12.全高速水滴衝撃から保護する。
TABLE 3 Compatible Properties for Layer 16 The hard carbon film can be deposited by any suitable method. For example, ion beam A sputtering methods and chemical vapor deposition methods involving decomposition of hydrocarbon-containing vapors can be employed. Although hard carbon layers do not necessarily adhere well to most infrared materials as described above, it is believed that this type of hard carbon layer will adhere to materials suitable for use in the first coating layer 14 (ARN). As mentioned above, suitable materials for layer 14 include MgO, 5C203, and Y2O.Hard carbons generally adhere very well to various types of oxides, including these. By being interposed between the very high modulus layer 16 and the base layer 12, the impact resistance benefits of the very high modulus 16 material provide an anti-reflective, high impact resistant composite layer 15 and the base layer 16. 12.Protects from all high velocity water drop impacts.

次いで第4図を参照すると、光学素子はここでは基層1
2および被膜層11を含むものとして示されている。こ
こでは被膜層11は第3図に関連して述べた前記の反射
防止性耐衝撃複合被膜層15を複数層含む広帯域反射防
止性耐衝撃被膜層17である。この形態によれば、基層
12への優れた付着性および高度の耐衝撃性をもつきわ
めて厚い反射防止被膜11が得られる。さらに複数の複
合層15、ならびに個々の被膜層14および16の厚さ
を多層被膜の光学デザイン原理に従って適宜選ぶことに
より、広帯域反射防止被膜全得ることもできる。
Referring now to FIG. 4, the optical element is now shown in base layer 1.
2 and a coating layer 11. Here, coating layer 11 is a broadband antireflective impact coating layer 17 comprising a plurality of antireflective impact resistant composite coating layers 15 described above in connection with FIG. This configuration provides a very thick antireflective coating 11 with excellent adhesion to the base layer 12 and a high degree of impact resistance. Furthermore, by appropriately selecting the thicknesses of the plurality of composite layers 15 and the individual coating layers 14 and 16 according to optical design principles for multilayer coatings, a complete broadband antireflection coating can be obtained.

次いで第5A〜5D図を参照すると、フィールドらの”
透明な材料における液滴衝撃浸食の機構”と題する雑文
(AFWAL−TR−82−4022) から採用した
一連のグラフは、液滴衝撃中心からの正規化距離の関数
としての半径方向応力低下を示す。各グラフは光学素子
の材料のものよりも高い弾性率をもつ被慎面上に生じる
一般的な半径方向応力を、未被覆面上に生じる半径方向
応力と比較してプロットしたものである。第5D図に示
すように、被膜の材料の弾性率が基層の材料の弾性率の
10倍である場合、水滴衝撃に際して基層に誘導される
引張り応力は実質的にゼロに等しい。
5A-5D, Field et al.
A series of graphs adapted from the paper entitled Mechanism of Drop Impact Erosion in Transparent Materials (AFWAL-TR-82-4022) depicting the radial stress drop as a function of normalized distance from the drop impact center. Each graph plots the typical radial stress that occurs on a protected surface that has a higher modulus of elasticity than that of the optical element material, compared to the radial stress that occurs on an uncoated surface. As shown in FIG. 5D, if the modulus of elasticity of the material of the coating is ten times that of the material of the base layer, the tensile stress induced in the base layer upon water drop impact is substantially equal to zero.

次いで第6よ、′−よび7図ヲ径照すると、それぞれ変
化率(rate)25.1mm1時向(1インチ/時間
)、速度(valosity )724 km1時間(
450マイル/時間)、入射角度90°、お上び液滴直
径2龍の加速降雨場に暴露されたのちの未被覆面(第8
図)および被俊面(第9図)の顕微鏡写真が示される。
Next, looking at Figures 6, '- and 7, the rate of change is 25.1 mm per hour (1 inch/hour), and the velocity is 724 km per hour (1 inch/hour).
450 miles/hour), an incident angle of 90°, and an accelerated rain field with a droplet diameter of 2.
Micrographs of the surface (Fig. 9) and the torsion surface (Fig. 9) are shown.

ここに認められるように、未被覆硫化亜鉛表面が示す損
傷の量は酸化イツ) IJウム被覆した硫化亜鉛表面が
示す損傷よりも実質的に高い。
As can be seen, the amount of damage exhibited by the uncoated zinc sulfide surface is substantially higher than that exhibited by the IJium oxide coated zinc sulfide surface.

第8図全参照すると、厚さ5.1y++R(0,2イン
チ)のレイトラン(RAYTRANl レイチオン社の
商標、マサチュセツツ州レキシントン)型の硫化亜鉛の
被覆プレートについて透過百分率対波長のプロットが示
される。被膜は10.0ミクロンにおいて四分の一波長
厚さの酸化イツトリウムであった。
With full reference to FIG. 8, a plot of percent transmission versus wavelength is shown for a RAYTRANl type zinc sulfide coated plate having a thickness of 5.1y++R (0.2 inches). The coating was a quarter wavelength thick yttrium oxide at 10.0 microns.

被膜は厚さ約2.45ミクロンであった。被膜は10ミ
クロンにおいて表面の透過率が最大になるように選ばれ
、プレートの主要両面に施された。
The coating was approximately 2.45 microns thick. The coating was chosen to give maximum surface transmission at 10 microns and was applied to both major surfaces of the plate.

次いで第9〜12図を参照すると、光学素子(この、場
合はドーム110)の一部があらかじめ定められた光学
特性をもつ材料からなる層112を含むものとして示さ
れている。光学素子はここではドームとして示されてい
るが、他の型の光学素子、たとえば窓、プレート、レン
ズなどをこのドーム110の代わりに採用しうると解さ
れる。
9-12, a portion of the optical element (in this case dome 110) is shown as including a layer 112 of material having predetermined optical properties. Although the optical element is shown here as a dome, it is understood that other types of optical elements may be employed in place of the dome 110, such as windows, plates, lenses, etc.

一般に基I7112は基層12と同様な厚さをもつであ
ろう。光学素子はさらに選ばれた光学特性を備えていて
もよい。たとえば光学素子は一般に赤外、可視または紫
外スペクトルの光エネルギーに対し透明な材料からなっ
ていてもよい。光学素子の材料は誘電体または半導体で
あってもよい。特に赤外線画像形成システムに用いられ
る光学素子については、好ましい材料の例にはケイ素、
ゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化ガリウム、テルル
化カドミウム水銀、テルル化カドミウム、硫化亜鉛、セ
レン化亜鉛、または一般式MN2S、  (式中Mは一
価のイオンであり、Nはランタニド系列から選ばれるイ
オンであり2SはスルフィドイオンS−2である)の三
元硫化物のうちいずれかが含まれる。層112を構成す
る選ばれた材料は既知の方法のいずれか、たとえば粉末
圧縮法(pow−der compactionc d
essification)  または化学蒸着法によ
り加工することができる。一般に層112のために選ば
れた材料は特定のエネルギー、たとえば赤外線帯域の少
なくとも一部にわたって一般に50%以上の赤外線エネ
ルギーに対し比較的高い透過率全もつことを特色とし、
一般に3.5〜105×10′′汚/cTrL2(5〜
15X106p8i)の弾性率をもつきわめてもろく、
かなり剛性の材料であるが、一般に387〜1055)
q/CIrL2(5,500〜15,000 psi 
)の破壊強さをもつ、一般にかなり軟弱な材料である。
Generally, base I 7112 will have a similar thickness to base layer 12. The optical element may further include selected optical properties. For example, the optical element may be comprised of a material that is generally transparent to light energy in the infrared, visible, or ultraviolet spectrum. The material of the optical element may be dielectric or semiconductor. Particularly for optical elements used in infrared imaging systems, examples of preferred materials include silicon;
Germanium, gallium arsenide, gallium phosphide, cadmium mercury telluride, cadmium telluride, zinc sulfide, zinc selenide, or with the general formula MN2S, where M is a monovalent ion and N is selected from the lanthanide series. ion and 2S is a sulfide ion S-2). The selected material constituting layer 112 may be prepared by any known method, such as powder compaction.
essification) or by chemical vapor deposition. Generally, the material chosen for layer 112 is characterized by a relatively high overall transmittance for a particular energy, such as generally 50% or more for infrared energy over at least a portion of the infrared band;
Generally 3.5~105×10'' dirt/cTrL2(5~
Extremely brittle with a modulus of elasticity of 15x106p8i)
It is a fairly rigid material, generally 387-1055)
q/CIrL2 (5,500-15,000 psi
), it is generally a fairly soft material.

ドーム110はさらに光学素子110の表面112a上
に施された塑性変形圧縮層114(第10図)を含む。
Dome 110 further includes a plastically deformed compression layer 114 (FIG. 10) applied over surface 112a of optical element 110.

好ましくは、圧縮層114(厚さtc)は層112の材
料の一部である。第10図にいっそう詳細に示されるよ
うに、圧縮層114は多数の溝(furrow、 gr
oove ) 113 k含み、これらの溝113の隣
接するものは層112の材料の圧縮領域113αにより
隔てられ、これらの溝の下側には圧縮層113bが配置
されている。
Preferably, compressed layer 114 (thickness tc) is part of the material of layer 112. As shown in more detail in FIG.
oove) 113k, adjacent ones of these grooves 113 are separated by compressed regions 113α of the material of layer 112, and below these grooves a compressed layer 113b is arranged.

層114の圧縮度は、後記のようにドーム110の処理
に際して与えられる圧縮力の大きさの関数である。
The degree of compression of layer 114 is a function of the amount of compressive force applied during processing of dome 110, as described below.

次いで第11および12図を参照して、圧縮層114が
ドームを補強し、高速水衝撃捷たは機械的負荷に際して
遭遇する損傷から保護する機構について述べる。
11 and 12, the mechanism by which the compression layer 114 strengthens the dome and protects it from damage encountered during high velocity water shock or mechanical loading will now be described.

第11図に示されるように、常法により研磨された表面
112αに、最終速度Voで、表面112aに対し法線
方向に、層112の表面112aに衝突している水滴1
15がある。層112の表面112αには研磨表面の加
工中そのほか基層112の形態に伴って生じる既存の微
細欠陥116がある。水滴115が常法による表面11
2tLと衝突した際、生じる表面応力波の引張り成分(
矢印118により表わされる)が与えられる。微細欠陥
116の領域におけるこの引張り力118に応答して、
微細欠陥は亀裂116′として生長する。引張り力が十
分に高い場合、亀裂116′は光学素10の基層112
を貫通して生長する可能性がある。これらの亀裂の数が
十分である場合、この素子の光学的透明性は亀裂の領域
における内部反射および屈折のため著しく低下する可能
性がある。より重要なことは、十分な亀裂を含む光学素
子は破壊または破断しやすく、その結果光学システム(
図示されていない)の残りの部分が突発的損傷を受ける
ことである。
As shown in FIG. 11, a water drop 1 impinging on the surface 112a of the layer 112, normal to the surface 112a, at a final velocity Vo, on the surface 112α polished by a conventional method.
There are 15. The surface 112α of the layer 112 has pre-existing micro-defects 116 that occur during processing of the polished surface or otherwise due to the morphology of the base layer 112. Water droplets 115 are formed on the surface 11 by a conventional method.
The tensile component of the surface stress wave generated when colliding with 2tL (
(represented by arrow 118) is given. In response to this tensile force 118 in the area of microdefect 116,
The microscopic defects grow as cracks 116'. If the tensile force is high enough, the crack 116' will cause the base layer 112 of the optical element 10 to
It may grow through the. If the number of these cracks is sufficient, the optical transparency of the element can be significantly reduced due to internal reflection and refraction in the area of the cracks. More importantly, optical elements containing sufficient cracks are more likely to break or break, resulting in damage to the optical system (
The remaining portion (not shown) is subject to catastrophic damage.

第12および13図に示されるように、本発明によれば
圧縮層114がドーム110上に施されているので、基
層112にある既存の微細欠陥116は領域114の材
料の圧迫により治ゆする。
As shown in FIGS. 12 and 13, according to the present invention, a compression layer 114 is applied over the dome 110 so that existing micro-defects 116 in the base layer 112 are healed by compression of the material in the region 114. .

圧縮層114の加工に際して対向する圧縮力114が与
えられ、これにより微細欠陥の大きさが縮少し、より小
さな微細欠陥117となる。さらに微細欠陥117を取
り巻く材料は、領域’113bの材料を押込む矢印12
0により示されるように、なお圧縮下にある。前記のよ
うに水滴衝撃に際して、微細欠陥部位に引張り応力成分
118が与えられる。微細欠陥はより小さいので、水滴
が表面層に衝撃を与えても損傷を生じない速度は高捷る
Opposing compressive forces 114 are applied during processing of the compressed layer 114, thereby reducing the size of the micro defects, resulting in smaller micro defects 117. Further, the material surrounding the fine defect 117 is moved by the arrow 12 pushing the material in the region '113b.
Still under compression, as indicated by 0. As described above, upon impact with water droplets, a tensile stress component 118 is applied to the fine defect site. Since micro-defects are smaller, the speed at which water droplets impact the surface layer without causing damage is faster.

これは微細欠陥の大きさが縮小することによって速度閾
値が増大するからである。さらに、溝113が施された
のちも材料は圧縮状態にあり、微細欠陥117部位に生
じる低下した引張り応力成分118′は、この引張り応
力成分118′が層114の圧縮程度を表わす圧縮力を
北回らない限り、圧縮層114を貫通して基層112中
に達するまで生長することはないであろう。従って圧縮
層114は衝撃損傷が起こる速度閾値を高める2種の機
構を提供する。すなわちこれは一般に材料中に存在する
微細欠陥の程度を低下させ、これにより一定の水滴衝撃
速度について、生じる引張り成分を小さくシ;かつ圧縮
層114に生じた引張り力の生長を鈍らせるかまたは低
下させる圧縮力を与える。
This is because the velocity threshold increases as the size of micro defects decreases. Furthermore, even after the grooves 113 are formed, the material remains in a compressed state, and the reduced tensile stress component 118' generated at the microdefect 117 site is such that this tensile stress component 118' increases the compressive force representing the degree of compression of the layer 114. Unless it rotates, it will not grow through the compressed layer 114 into the base layer 112. Compressive layer 114 thus provides two mechanisms to increase the velocity threshold at which impact damage occurs. That is, this generally reduces the degree of microdefects present in the material, thereby reducing the resulting tensile component for a given water drop impact velocity; and slowing or reducing the development of the tensile force developed in the compressed layer 114. Provides a compressive force to

圧縮層111−施すための好ましい方法は、光学素子の
表面部分をシングルポイントダイヤモンドで加工するこ
とである。一般に表面を2工程で加工することができる
。第1工程、6荒削り”は、第10図に示されるように
実質量の材料119を除去すべく選ばれた機械加工パラ
メータをもつ。
The preferred method for applying compressed layer 111 is single point diamond machining of the surface portion of the optical element. Generally, the surface can be processed in two steps. The first step, 6 Rough Cuts, has machining parameters chosen to remove a substantial amount of material 119 as shown in FIG.

これは25〜127ミクロン(1〜5ミル)程度以上の
材料であろう。第2の切削工程、”仕上げ削り°“は1
回捷たは数回のパスまたは切削過程であってもよく、そ
の際少量の材料、一般に約2.5〜12.7ミクロン(
01〜05ミル)が除去され、実質的には平11−1で
あるが溝を備えた表面が得られる。
This would be a material on the order of 25-127 microns (1-5 mils) or larger. The second cutting process, "finishing °" is 1
It may be a turning or several pass or cutting process, in which a small amount of material, typically about 2.5 to 12.7 microns (
01-05 mil) is removed, resulting in a substantially flat 11-1 but grooved surface.

第10図に示される調整圧縮層114についての一般的
な表面特性は下記のとおりである。
General surface characteristics for the tuned compression layer 114 shown in FIG. 10 are as follows.

溝113は一般に幅Wf(一般に0.01〜0,02y
sm ) kもつであろう。側壁部分113aは一般に
10〜1o、o o o Xの高さA/をもつ。
The groove 113 generally has a width Wf (generally 0.01 to 0.02y
sm) k will also be present. Sidewall portion 113a typically has a height A/ of 10-1o, o o o x.

25.4mm(1インチ)の硫化亜鉛ディスクに圧縮層
114を機械加工するために用いられる一般的な加工バ
ラメーターは下記のとおりである。
The general processing parameters used to machine the compressed layer 114 into a 25.4 mm (1 inch) zinc sulfide disk are as follows.

荒削り: 切削の深さ=0.076朋(0,003インチ)回転速
度−7507pm 供給速度−12゜7mm1分(0,5インチ/分)工具
半径=3.175mm (0,125インチ)仕上げ削
シ 切削の深さ=0.005)關(0,0002インチ)回
転速度−550rp常 供給速度=6.35龍/分(0,250インチ/分)工
具半径=3.175朋(0,125インチ)この方法に
より60個の硫化亜鉛ディスク試料を加工した。これら
のディスクについて測定した機械的パラメーターはヌー
プ微小硬度(却/mm2)および破壊強さであった。破
壊強さは一般に少なくとも1371#/Cln2(19
,5oop8i)であり、これは常法により研磨された
試料の破壊強さ1090#/cm2(15,500ps
i )よりも太きい。
Roughing: Depth of cut = 0.076 mm (0.003 inch) Rotation speed - 7507 pm Feed speed - 12° 7 mm 1 minute (0.5 inch/min) Tool radius = 3.175 mm (0.125 inch) Finishing Depth of cut = 0.005 mm (0.0002 inch) Rotational speed - 550 rp Regular feed rate = 6.35 mm/min (0.250 inch/min) Tool radius = 3.175 mm (0.125 mm) Sixty zinc sulfide disk samples were processed by this method. The mechanical parameters measured for these discs were Knoop microhardness (in/mm2) and fracture strength. The breaking strength is generally at least 1371#/Cln2 (19
, 5oop8i), which corresponds to the fracture strength of a sample polished by a conventional method of 1090 #/cm2 (15,500 ps
It is thicker than i).

従ってこの方法は破壊強さを約25%増大させる。This method therefore increases the breaking strength by about 25%.

第14A114B図に示したように、常法により研磨し
た表面は実質的に平滑、均一であり、特色がない。これ
に対し本発明により調整された表面は実質上規則的な間
隔を置いたうね−または溝を含む。
As shown in Figures 14A and 114B, the conventionally polished surface is substantially smooth, uniform, and featureless. In contrast, surfaces prepared according to the present invention include substantially regularly spaced ridges or grooves.

第15および16図には、常法により研摩した硫化亜鉛
ディスク、および圧縮層114を含む硫化亜鉛ディスク
についての一般的なヌープ硬度数対荷重の一般的な微小
硬度プロットヲ示す。圧縮層114を含むディスクにつ
いてのヌープ硬度数は一般に、30r以下の荷重に対し
ては常法により研摩したディスクについてのヌープ硬度
よりも50〜100の値だけ高い。さらに第16図に示
すように、ヌープ硬度数の差を圧縮層114中への侵入
の深さとして表わした硬度差は、侵入の深さ2ミクロン
以下について著しく硬度が増大することが示される。こ
のデータを外挿することによって、硬度効果は機械加工
試料の表面部分3ミクロン以内に限られると推定される
15 and 16 show a typical microhardness plot of typical Knoop hardness number versus load for a conventionally ground zinc sulfide disk and a zinc sulfide disk containing a compressed layer 114. The Knoop hardness number for a disk containing compressed layer 114 is typically 50 to 100 values higher than the Knoop hardness for a conventionally ground disk for loads of 30 r or less. Further, as shown in FIG. 16, the hardness difference expressed as the depth of penetration into the compressed layer 114 by the difference in Knoop hardness numbers shows that the hardness increases significantly for penetration depths of 2 microns or less. By extrapolating this data, it is estimated that the hardness effect is limited to within 3 microns of the surface area of the machined sample.

第177および17B図、すなわち724 km1時間
(450マイル/時間)において25.4mm1時間(
1インチ/時間)に加速された降雨場(2關の液滴直径
)に5分間暴露したのちの常法により研摩した値化亜鉛
プレートおよびダイヤモンドポイント加工した硫化亜鉛
プレートは、常法により研摩した試料が主として表面丁
破壊からなる損傷を有意により多く受けたことを示す。
Figures 177 and 17B, i.e. 25.4 mm 1 hour (724 km 1 hour) (450 miles/hour)
Valued zinc plates and diamond-pointed zinc sulfide plates were conventionally polished after 5 minutes of exposure to a rain field (2 droplet diameters) accelerated to 1 inch/hour). It shows that the sample suffered significantly more damage consisting mainly of surface fractures.

これに対し、硫化亜鉛試料をシングルポイントダイヤモ
ンド加工することにより施された圧縮層を含むプレート
が受けた損傷(第17B図)は実質的にこれよりも少な
い。
In contrast, a plate containing a compressed layer applied by single point diamond machining of a zinc sulfide sample (FIG. 17B) suffered substantially less damage.

第18Aおよび18B図を比較すると、層114が光学
材料の圧縮層であることが示される。同一ロットの硫化
亜鉛試料から得た2枚の硫化亜鉛レンズブランクを研摩
した。一方のレンズはその表面が通常の研摩法により光
学的に平坦に研摩され、他方のレンズはその表面が本発
明により平坦に機械加工された。加工したのち各試料の
表面を下側にしてラッピングパッド上に取付け、ラップ
仕上げ面全体を厚さ約5.1朋(0,2インチ)から0
.25mm(0,01インチ)まで、また可視スペクト
ルにおいて四分の一波長平面度に1で薄くした。これら
の試料をラッピングパッドからはずした時、各試料にあ
る程度のディストーションが生じた。このディストーシ
ョンは第187および18B図の干渉トポグラフに示さ
れる。第187に示すように、常法により研摩した試料
のディストーションは小さく、不規則な最終面が得られ
たことを示す。
A comparison of Figures 18A and 18B shows that layer 114 is a compressed layer of optical material. Two zinc sulfide lens blanks from the same lot of zinc sulfide samples were polished. One lens had its surface polished optically flat using conventional polishing techniques, and the other lens had its surface machined flat according to the present invention. After processing, each sample was placed face down on a lapping pad, and the entire lapped surface was coated to a thickness of approximately 5.1 to 0.2 inches.
.. Thinned by 1 to 25 mm (0.01 inch) and a quarter wave flatness in the visible spectrum. When the samples were removed from the lapping pad, each sample experienced some degree of distortion. This distortion is shown in the interference topographs of Figures 187 and 18B. As shown in No. 187, the distortion of the sample polished by the conventional method was small, indicating that an irregular final surface was obtained.

しかし第18B図に示すように、本発明による圧縮層1
14を含む試料については、ディストーションが著しい
ため干渉計で測定できなかった。さく57) らに第3図の試験片をラッピングパッドからはずした時
、試料はひずんで著しい凹面となった。このディストー
ションはラップ仕上げした試料の層に含1れる固有の応
力に関係するものである。従って常法により研摩したブ
ランクには圧縮応力が実質上与えられていなかったこと
が明らかである(第18A図);これに対し第18B図
に示される試料は高度に圧縮された層114′ff:備
えていた。
However, as shown in FIG. 18B, the compressed layer 1 according to the invention
The sample containing No. 14 could not be measured with an interferometer due to significant distortion. Furthermore, when the test piece shown in Figure 3 was removed from the wrapping pad, the sample was distorted and became significantly concave. This distortion is related to the inherent stress contained in the layers of the lapped specimen. It is therefore clear that virtually no compressive stress was applied to the conventionally polished blank (Figure 18A); in contrast, the sample shown in Figure 18B had a highly compressed layer 114'ff. : I was prepared.

凹面の半径を光学的に測定し、この半径を用いて機械処
理面に存在する圧縮応力のttk推定した(第18B図
)。表面の曲率半径(R)と圧縮応力(S)の関係は下
記のとおりである。
The radius of the concave surface was optically measured, and this radius was used to estimate the ttk of the compressive stress existing on the machined surface (FIG. 18B). The relationship between the radius of curvature (R) and compressive stress (S) of the surface is as follows.

式中、Eはヤング率であり、7.6 x 10 J/c
m2(10,8X 106psi)で与えられ;dは試
料の厚さであり、0.229市(0,009インチ)と
推定され;Rは曲率半径であり、129.2 X 10
−2mと測定され;tは圧縮層の厚さであり、I X 
10=常と推定され;Vはボッジョン比(Possio
Jsrαtio)であり、0.28と推定される。Sに
ついて解くことによりS=7100A1i1/cIrL
2(IXI O’psi)が得られる。従って上記のデ
ータに証明された補強および硬化作用は明らかに、前記
操作中に硫化亜鉛ブランク上に表面圧縮層が形成された
結果である。従って機械加工バラメーター、たとえば工
具の速度、工具の種類、切削の深さ、供給速度、工具の
角度などを適切に選ぶことにより、硫化亜鉛表面に施さ
れた圧縮層の規模を選定することができ、従って硫化亜
鉛の補強/硬化の程度を制御することもできる。
In the formula, E is Young's modulus, 7.6 x 10 J/c
m2 (10,8 X 106 psi); d is the thickness of the sample, estimated to be 0.229 mm (0,009 inch); R is the radius of curvature, 129.2 X 10
−2 m; t is the thickness of the compressed layer and I
10 = estimated to be normal; V is the Possio
Jsrαtio) and is estimated to be 0.28. By solving for S, S=7100A1i1/cIrL
2 (IXI O'psi) is obtained. The reinforcing and hardening effect evidenced in the above data is therefore clearly the result of the formation of a surface compression layer on the zinc sulfide blank during said operation. Therefore, by appropriately selecting machining parameters such as tool speed, tool type, depth of cut, feed rate, tool angle, etc., it is possible to select the size of the compressed layer applied to the zinc sulfide surface. The degree of reinforcing/hardening of the zinc sulfide can therefore be controlled.

次いで第19図を参照すると、光学素子(ここではプレ
ート130)の一部が、前記のあらかじめ定められた光
学特性を備えた材料からなる層12を含むものとして示
されている。層12上に第9〜18図に関連して記述さ
れている圧縮材料層114が配置されている。圧縮層1
14上に、第1〜8図に関連して記述されている前記の
単一層または多層被膜の一つからなる被膜層11が配置
されている。この形態によれば、前記両方法により高め
られた硬化性および降雨浸食抵抗性をま、実質的に改善
された降雨浸食抵抗性および破壊強さをもつ光学素子を
提供するのに役立つであろうと考えられる。
Referring now to FIG. 19, a portion of the optical element (here plate 130) is shown as including a layer 12 of material with the predetermined optical properties described above. Disposed over layer 12 is a layer of compressed material 114, which is described in connection with FIGS. 9-18. compression layer 1
14, there is disposed a coating layer 11 consisting of one of the aforementioned single-layer or multi-layer coatings described in connection with FIGS. 1-8. According to this embodiment, the enhanced hardenability and rain erosion resistance provided by both of the above methods would serve to provide an optical element with substantially improved rain erosion resistance and fracture strength. Conceivable.

以上、本発明の好ましい形態につき記述したが、その概
念を取入れた他の形態も採用しうることレマ当業者には
明らかであろう。従って本発明は提示された形態に限定
されるべきでなく、特許請求の範囲の精神および範囲に
よってのみ限定されるべきであると考えられる。
Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, it will be apparent to those skilled in the art that other embodiments incorporating the concept may be employed. It is believed that the invention should not be limited to the form presented, but rather should be limited only by the spirit and scope of the claims.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は基層および本発明による保護層からなる光学素
子(ここではプレート)の等測投影図である。 第2図は第1図の線2−2に沿って得た分解組立断面図
であり、本発明の一観点による単一層被膜からなる保護
層を示す。 第3図は第1図の線3−3に沿って得た分解組立断面図
であり、本発明の他の観点による一対の被膜層からなる
層を示す。 第4図は第1図の線4−4に沿って得た分解組立立面図
であり、本発明のさらに他の観点による複数対の高屈折
率および低屈折率交互の被膜層からなる層を示す。 第5A〜5D図は異なる弾性率をもつ被膜について、半
径方向応力低下全液滴衝撃の中心からの正規化距離の関
数として示す一連のグラフである(先行技術)。 第6図は変化率25.4mm/時間(1インチ/時間)
、速度724に嶋′時間(450脩ph)、衝撃角度9
0°および雨滴寸法2關の加速降雨場に暴露された未被
5iZnS表面の金属組織を示す顕微鏡写真である。 第7図は第6図に示したものと同一の加速降雨場に暴露
された、本発明による被覆表面の金属組織を示す顕微鏡
写真である。 第8図は厚さ5.(18mm (0,20インチ)の被
覆ZnSプレートについての透過百分率対波長のプロッ
トである。 第9図はドームの一部の断面図である。 第10図は第11図に示したドームの表面部分の断面拡
大図である。 第11図は微細組織欠陥をもつ一般の光学素子の表面に
降りかかった雨滴の断面略図である。 第12図は本発明の他の観点による圧縮層に降りかかっ
た水滴の断面略図である。 第13図は第12図に示す圧縮層に衝撃を与えた水滴の
拡大図である。 第147.14B図はそれぞれ常法により研摩したドー
ム表面および本発明方法により調整した(シングルポイ
ント−ダイヤモンド加工)ドーム表面の金属組織を示す
顕微鏡写真である。 第15図は常法により研摩したZnS表面および調整Z
nSディスク表面についてヌープ硬度数を荷重の関数と
してプロットしたものを示す(ZnS微小硬度)。 第16図は一般的な硬度差(ヌープ)を調整ZnSディ
スクの圧縮表面内への侵入深さの関数としてプロットし
たものである。 第17A、17B図はそれぞれ常法により研摩したZn
Sレンズおよび本発明により調整したZnSレンズの、
それぞれ加速降山場に暴露したのちの表面の金属組織を
示す顕微鏡写真である。 第18A、18B図はそれぞれ常法により研摩したラッ
プ仕上げZnSレンズ(不規則)、および本発明により
調整した(ダイヤモンド白金加工)、圧縮層により生じ
るディストーションを示すラップ仕上げZnSレンズ(
高度の凹形)の顕微鏡写真(金属組織)である。 第19図は本発明の他の観点による光学材料圧縮層およ
び被膜層を備えたプレートまたはドームなどの光学素子
の一部の断面図である。 各図において番号は下記のものを表わす。 10.110:光学素子 11.111:反射防止被膜層 12.112:基層 14:第1被膜層 16:第2被膜層 113:溝 114:圧縮層 115:水滴 116.117:微細欠陥 118.118’:引張り応力成分 120:圧縮力 阜5AI2] 輸− !5CI¥J  キ11汝付1 尾5D図 奔1慢明 N′N?        内
FIG. 1 is an isometric projection of an optical element (here a plate) consisting of a base layer and a protective layer according to the invention. FIG. 2 is an exploded cross-sectional view taken along line 2--2 of FIG. 1, illustrating a protective layer comprising a single layer coating in accordance with one aspect of the present invention. FIG. 3 is an exploded cross-sectional view taken along line 3--3 of FIG. 1 illustrating a pair of coating layers in accordance with another aspect of the present invention. FIG. 4 is an exploded elevational view taken along line 4--4 of FIG. shows. Figures 5A-5D are a series of graphs showing radial stress reduction as a function of normalized distance from the center of total drop impact for coatings with different moduli (prior art). Figure 6 shows a change rate of 25.4 mm/hour (1 inch/hour).
, speed 724 to 100 mph (450 ph), impact angle 9
1 is a micrograph showing the metallographic structure of an uncoated 5iZnS surface exposed to an accelerated rain field of 0° and 2 raindrop sizes. FIG. 7 is a photomicrograph showing the metallographic structure of a coated surface according to the invention exposed to the same accelerated rain field as shown in FIG. Figure 8 shows the thickness of 5. Figure 9 is a cross-sectional view of a portion of the dome. Figure 10 is the surface of the dome shown in Figure 11. FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of raindrops falling on the surface of a general optical element having microstructural defects. FIG. 12 is a schematic cross-sectional view of raindrops falling on a compressed layer according to another aspect of the present invention. FIG. 13 is an enlarged view of a water droplet impacting the compressed layer shown in FIG. 12. FIG. Fig. 15 is a micrograph showing the metallographic structure of the adjusted (single point diamond processing) dome surface.
A plot of the Knoop hardness number as a function of load is shown for the nS disk surface (ZnS microhardness). FIG. 16 plots the typical hardness difference (Knoop) as a function of penetration depth into the compressed surface of the conditioned ZnS disk. Figures 17A and 17B show Zn polished by a conventional method.
S lens and ZnS lens adjusted according to the present invention,
These are micrographs showing the metallographic structure of the surface after being exposed to an accelerated downhill field. Figures 18A and 18B respectively show a lapped ZnS lens (irregular) polished by a conventional method and a lapped ZnS lens (diamond platinized) prepared according to the present invention (diamond platinum processing) showing the distortion caused by the compressed layer.
This is a micrograph (metallic structure) of a highly concave structure. FIG. 19 is a cross-sectional view of a portion of an optical element, such as a plate or dome, with a compressed layer of optical material and a coating layer according to another aspect of the invention. In each figure, the numbers represent the following: 10.110: Optical element 11.111: Anti-reflection coating layer 12.112: Base layer 14: First coating layer 16: Second coating layer 113: Groove 114: Compression layer 115: Water droplet 116.117: Fine defect 118.118 ': Tensile stress component 120: Compressive force 5AI2] Transport! 5CI¥J Ki 11 You Attachment 1 Tail 5D Diagram Beginner 1 Arrogance N'N? Inside

Claims (45)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)あらかじめ定められた範囲の光の波長にわたって
あらかじめ定められた光の透過率、および高速液滴衝撃
により生じる損傷に対してあらかじめ定められた抵抗性
を有する第1材料からなる基層;液滴衝撃により生じる
損傷に対する基層の抵抗性を高めるための、2.0以下
の屈折率を有する第2材料からなる、上記基層上に配置
された手段からなる光学素子。
(1) a base layer consisting of a first material having a predetermined transmittance of light over a predetermined range of wavelengths of light and a predetermined resistance to damage caused by high velocity droplet impact; An optical element comprising means disposed on said base layer comprising a second material having a refractive index of less than or equal to 2.0 for increasing the resistance of the base layer to damage caused by impact.
(2)上記手段が第2材料の圧縮領域からなる、特許請
求の範囲第1項に記載の光学素子。
(2) An optical element according to claim 1, wherein said means comprises a compressed region of a second material.
(3)第2材料の圧縮領域が第1材料の圧縮領域である
、特許請求の範囲第2項に記載の光学素子。
(3) The optical element according to claim 2, wherein the compressed region of the second material is a compressed region of the first material.
(4)圧縮層がこの層の表面部分に配置された多数の溝
(furrow)を含み、これらの溝の下方に第1材料
の圧縮層が配置され、かつ隣接する溝の間に第1材料の
圧縮領域が配置される、特許請求の範囲第3項に記載の
光学素子。
(4) the compressed layer comprises a number of furrows arranged in a surface portion of the layer, a compressed layer of a first material is arranged below these furrows, and between adjacent grooves a compressed layer of a first material; 4. Optical element according to claim 3, in which a compressed region of is arranged.
(5)第1材料が硫化亜鉛、セレン化亜鉛、ゲルマニウ
ム、ヒ化ガリウム、リン化ガリウム、テルル化カドミウ
ム水銀、テルル化カドミウム、および一般化学式MN_
2S_4(式中MはIA族元素から選ばれる陽イオンで
あり、Nはランタニド系列希土類元素から選ばれる陽イ
オンであり、Sはスルフィド陰イオンS^2^−である
)を有する三元硫化物よりなる群から選ばれる材料から
なる、特許請求の範囲第4項に記載の光学素子。
(5) The first material is zinc sulfide, zinc selenide, germanium, gallium arsenide, gallium phosphide, cadmium mercury telluride, cadmium telluride, and the general chemical formula MN_
2S_4 (wherein M is a cation selected from group IA elements, N is a cation selected from lanthanide series rare earth elements, and S is a sulfide anion S^2^-) The optical element according to claim 4, which is made of a material selected from the group consisting of:
(6)溝が10〜10,000Åの深さを有し、一般に
0.01〜0.02mmの幅を有する、特許請求の範囲
第4項に記載の光学素子。
(6) The optical element of claim 4, wherein the groove has a depth of 10 to 10,000 Å and a width generally of 0.01 to 0.02 mm.
(7)第1材料が第1のあらかじめ定められた弾性率を
有し、第2材料が第1材料の弾性率よりも高い第2弾性
率を有し、その結果基層の耐衝撃性が高められる、特許
請求の範囲第1項に記載の光学素子。
(7) the first material has a first predetermined modulus of elasticity, and the second material has a second modulus of elasticity that is higher than the modulus of elasticity of the first material, resulting in increased impact resistance of the base layer; The optical element according to claim 1.
(8)第2材料の弾性率が第1材料の弾性率の少なくと
も2倍である、特許請求の範囲第7項に記載の光学素子
(8) The optical element according to claim 7, wherein the elastic modulus of the second material is at least twice that of the first material.
(9)第2材料がt=(2N+1)λ/4/n_c(式
中Nは整数0、1、2、3、……であり、λは目的とす
る特定の波長であり、n_cはその波長における第2材
料の屈折率である)により与えられる物理的厚さをを有
する、特許請求の範囲第8項に記載の光学素子。
(9) When the second material is 9. Optical element according to claim 8, having a physical thickness given by the index of refraction of the second material at the wavelength.
(10)基層を構成する第1材料が硫化亜鉛、セレン化
亜鉛、ゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化ガリウム、
テルル化カドミウム水銀およびテルル化カドミウムなら
びに一般化学式MN_2S_4(式中MはIA族元素か
ら選ばれる一価の陽イオンであり、Nはランタニド系希
土類元素から選ばれる陽イオンであり、Sはスルフィド
陰イオンS^2^−である)を有する三元硫化物よりな
る群から選ばれ;かつ第2材料が酸化イットリウム、酸
化スカンジウム、酸化マグネシウム、あるいは酸化イッ
トリウム、酸化スカンジウムおよび酸化マグネシウムの
各種混合物よりなる群から選ばれる、特許請求の範囲第
9項に記載の光学素子。
(10) The first material constituting the base layer is zinc sulfide, zinc selenide, germanium, gallium arsenide, gallium phosphide,
Cadmium mercury telluride and cadmium telluride and the general chemical formula MN_2S_4 (where M is a monovalent cation selected from Group IA elements, N is a cation selected from lanthanide rare earth elements, and S is a sulfide anion). and the second material is yttrium oxide, scandium oxide, magnesium oxide, or various mixtures of yttrium oxide, scandium oxide, and magnesium oxide. The optical element according to claim 9, selected from:
(11)第1材料があらかじめ定められた第1弾性率を
有し、前記手段が第1材料の弾性率よりも高い第2弾性
率を有する第2材料の第1層、ならびに第1材料および
第2材料の弾性率よりも高い弾性率を有しかつ2.0以
上の屈折率を有する第3材料の第2層からなる、特許請
求の範囲第1項に記載の光学素子。
(11) a first layer of a second material, the first material having a predetermined first modulus of elasticity, and the means having a second modulus of elasticity higher than the modulus of the first material; The optical element according to claim 1, comprising a second layer of a third material having a higher elastic modulus than that of the second material and a refractive index of 2.0 or more.
(12)複合層がt=(2N+1)λ/4/n_c(式
中Nは整数0、1、2、3、……であり、λは目的とす
る特定の波長であり、n_cはその波長における複合層
の屈折率である)により与えられる物理的厚さtを有す
る、特許請求の範囲第11項に記載の光学素子。
(12) If the composite layer is t = (2N+1)λ/4/n_c (where N is an integer 0, 1, 2, 3, ..., λ is the desired specific wavelength, and n_c is the wavelength 12. Optical element according to claim 11, having a physical thickness t given by t, which is the refractive index of the composite layer at .
(13)基層が硫化亜鉛、セレン化亜鉛、ゲルマニウム
、ヒ化ガリウム、リン化ガリウム、テルル化カドミウム
水銀およびテルル化カドミウムならびに一般化学式MN
_2S_4(式中、MはIA族元素から選ばれる陽イオ
ンであり、Nはランタニド系列希土類元素から選ばれる
陽イオンであり、Sはスルフィド陰イオンS^2^−で
ある)を有する三元硫化物よりなる群から選ばれ; 第2材料が酸化イットリウム、酸化スカンジウム、酸化
マグネシウム、あるいは酸化イットリウム、酸化スカン
ジウムおよび酸化マグネシウムの各種混合部よりなる群
から選ばれ、かつ第3材料が硬質炭素、酸化セリウム、
酸化チタンおよび酸化ジルコニウムよりなる群から選ば
れる、特許請求の範囲第11項に記載の光学素子。
(13) Base layer is zinc sulfide, zinc selenide, germanium, gallium arsenide, gallium phosphide, cadmium mercury telluride, cadmium telluride and general chemical formula MN
_2S_4 (wherein M is a cation selected from group IA elements, N is a cation selected from lanthanide series rare earth elements, and S is a sulfide anion S^2^-) the second material is selected from the group consisting of yttrium oxide, scandium oxide, magnesium oxide, or various mixtures of yttrium oxide, scandium oxide, and magnesium oxide; and the third material is selected from the group consisting of hard carbon, scandium oxide, and magnesium oxide; cerium,
The optical element according to claim 11, which is selected from the group consisting of titanium oxide and zirconium oxide.
(14)基層の第1材料があらかじめ定められた第1弾
性率を有し、前記手段がさらに 第2材料の圧縮領域、および第1層の材料よりも高い第
2弾性率を有する第3材料の層 からなる、特許請求の範囲第1項に記載の光学素子。
(14) the first material of the base layer has a predetermined first modulus of elasticity, the means further compressing the second material and the third material having a second modulus higher than the material of the first layer; The optical element according to claim 1, comprising a layer of.
(15)第2材料の圧縮領域が第1材料の圧縮領域であ
り、基材中に配置され、第3材料の層が第1材料の圧縮
領域に配置される、特許請求の範囲第14項に記載の光
学素子。
(15) The compressed region of the second material is a compressed region of the first material and is disposed in the substrate, and the layer of third material is disposed in the compressed region of the first material. The optical element described in .
(16)第3材料の弾性率が基層材料の弾性率の少なく
とも2倍である、特許請求の範囲第15項に記載の光学
素子。
(16) The optical element according to claim 15, wherein the modulus of elasticity of the third material is at least twice the modulus of elasticity of the base material.
(17)第1材料が硫化亜鉛、セレン化亜鉛、ゲルマニ
ウム、ヒ化ガリウム、リン化ガリウム、テルル化カドミ
ウム水銀およびテルル化カドミウムならびに一般化学式
MN_2S_4(式中、MはIA族元素から選ばれる一
価のイオンであり、Nはランタニド系列希土類元素から
選ばれる二価のイオンであり、Sはスルフィド陰イオン
S^2^−である)を有する三元硫化物よりなる群から
選ばれ;かつ第3材料が酸化イットリウム、酸化スカン
ジウム、酸化マグネシウム、あるいは酸化イットリウム
、酸化スカンジウム、および酸化マグネシウムの各種混
合物よりなる群から選ばれる、特許請求の範囲第16項
に記載の光学素子。
(17) The first material is zinc sulfide, zinc selenide, germanium, gallium arsenide, gallium phosphide, cadmium mercury telluride, cadmium telluride and the general chemical formula MN_2S_4 (wherein M is a monovalent selected from Group IA elements). ions, N is a divalent ion selected from the lanthanide series rare earth elements, and S is a sulfide anion S^2^-; and a third 17. The optical element of claim 16, wherein the material is selected from the group consisting of yttrium oxide, scandium oxide, magnesium oxide, or various mixtures of yttrium oxide, scandium oxide, and magnesium oxide.
(18)第3材料がt=(2N+1)λ/4/n_c(
式中Nは整数0、1、2、3、……であり、λは目的と
する特定の波長であり、n_cはその波長における第3
材料の屈折率である)により与えられる物理的厚さをを
有する、特許請求の範囲第17項に記載の光学素子。
(18) The third material is t=(2N+1)λ/4/n_c(
where N is an integer 0, 1, 2, 3, etc., λ is the specific wavelength of interest, and n_c is the third wavelength at that wavelength.
18. Optical element according to claim 17, having a physical thickness given by the refractive index of the material.
(19)前記手段がさらに第3材料上に配置された第4
材料よりなる層からなり、第4材料が第1もしくは第3
材料の弾性率よりも高い弾性率、および2.0以上の屈
折率を有する、特許請求の範囲第14項に記載の光学素
子。
(19) A fourth material in which the means is further disposed on the third material.
The fourth material is the first or third material.
The optical element according to claim 14, having an elastic modulus higher than that of the material and a refractive index of 2.0 or more.
(20)複合層の厚さがt=(2N+1)λ/4/n_
c(式中Nは整数0、1、2、3、……であり、λは目
的とする特定の波長であり、n_cはその波長における
複合層材料の屈折率である)により表わされる、特許請
求の範囲第19項に記載の光学素子。
(20) The thickness of the composite layer is t=(2N+1)λ/4/n_
c (where N is an integer 0, 1, 2, 3, ..., λ is the specific wavelength of interest, and n_c is the refractive index of the composite layer material at that wavelength), the patent The optical element according to claim 19.
(21)第1材料が硫化亜鉛、セレン化亜鉛、ゲルマニ
ウム、ヒ化ガリウム、リン化ガリウム、テルル化カドミ
ウム水銀およびテルル化カドミウムならびに一般化学式
MN_2S_4(式中MはIA族元素であり、Nはラン
タニド系列希土類元素であり、Sはスルフィド陰イオン
S^2^−である)を有する三元硫化物よりなる群から
選ばれ; 第3材料が酸化イットリウム、酸化スカンジウム、酸化
マグネシウム、あるいは酸化イットリウム、酸化スカン
ジウムおよび酸化マグネシウムの各種混合物よりなる群
から選ばれ;かつ第4材料が硬質炭素、酸化セリウム、
酸化チタンおよび酸化ジルコニウムよりなる群から選ば
れる、特許請求の範囲第20項に記載の光学素子。
(21) The first material is zinc sulfide, zinc selenide, germanium, gallium arsenide, gallium phosphide, cadmium mercury telluride and cadmium telluride and the general chemical formula MN_2S_4 (where M is a group IA element and N is a lanthanide). selected from the group consisting of ternary sulfides having a sulfide anion (S is a sulfide anion S^2^-); the third material is yttrium oxide, scandium oxide, magnesium oxide, or yttrium oxide, selected from the group consisting of various mixtures of scandium and magnesium oxide; and the fourth material is hard carbon, cerium oxide,
The optical element according to claim 20, which is selected from the group consisting of titanium oxide and zirconium oxide.
(22)あらかじめ定められた範囲の元の波長にわたっ
てあらかじめ定められた光の透過率、およびあらかじめ
定められた弾性率を有する第1材料からなる基層; 第1層の材料の弾性率の少なくとも2倍の弾性率を有し
、かつ2.0以下の屈折率を有する、第2の異なる材料
の層からなる光学素子。
(22) a base layer comprising a first material having a predetermined transmittance of light over a predetermined range of original wavelengths and a predetermined modulus of elasticity; at least twice the modulus of elasticity of the material of the first layer; an optical element consisting of a layer of a second different material having a modulus of elasticity of 2.0 and a refractive index of 2.0 or less.
(23)基層が硫化亜鉛、セレン化亜鉛、ゲルマニウム
、ヒ化ガリウム、リン化ガリウム、テルル化カドミウム
水銀およびテルル化カドミウムならびに一般化学式MN
2_S_4(式中MはIA族元素から選ばれる一価の陽
イオンであり、Nはランタニド系列希土類元素から選ば
れる陽イオンであり、Sはスルフィド陰イオンS^2^
−である)を有する三元硫化物よりなる群から選ばれる
材料からなり;かつ第2材料が酸化イットリウム、酸化
スカンジウム、酸化マグネシウム、あるいは酸化イット
リウム、酸化スカンジウムおよび酸化マグネシウムの均
質な各種混合物よりなる群から選ばれる、特許請求の範
囲第22項に記載の光学素子。
(23) Base layer is zinc sulfide, zinc selenide, germanium, gallium arsenide, gallium phosphide, cadmium mercury telluride, cadmium telluride and general chemical formula MN
2_S_4 (where M is a monovalent cation selected from Group IA elements, N is a cation selected from lanthanide series rare earth elements, and S is a sulfide anion S^2^
- and the second material is made of yttrium oxide, scandium oxide, magnesium oxide, or a homogeneous mixture of yttrium oxide, scandium oxide, and magnesium oxide. 23. Optical element according to claim 22, selected from the group.
(24)第2材料の層がt=(2N+1)λ/4/n_
c(式中Nは整数0、1、2、3、……であり、λは目
的とする特定の波長であり、n_cはその波長における
第2材料の屈折率である)により与えられる物理的厚さ
tを有する、特許請求の範囲第23項に記載の光学素子
(24) The layer of the second material is t=(2N+1)λ/4/n_
c (where N is an integer 0, 1, 2, 3, ..., λ is the particular wavelength of interest, and n_c is the refractive index of the second material at that wavelength) 24. Optical element according to claim 23, having a thickness t.
(25)あらかじめ定められた範囲の波長にわたってあ
らかじめ定められた元の透過率を有する材料からなり、
該材料があらかじめ定められた第1弾性率およびあらか
じめ定められた第1屈折率を有する基層; 該基層の少なくとも一部上に配置された、 (i)基層材料の弾性率の少なくとも2倍の弾性率を有
し、かつ基層材料の屈折率よりも小さい屈折率を有する
、第1の高弾性率材料からなる第1層; (ii)基層材料の弾性率の少なくとも2倍の弾性率を
有し、かつ2.0以上の屈折率を有する、第2の高弾性
率材料からなる第2層からなる複合被膜からなる光学素
子。
(25) consisting of a material having a predetermined original transmittance over a predetermined range of wavelengths;
a base layer, the material having a first predetermined modulus of elasticity and a first predetermined index of refraction; (i) disposed on at least a portion of the base layer; (ii) having a modulus of elasticity at least twice that of the base material; , and a second layer made of a second high-modulus material having a refractive index of 2.0 or more.
(26)基層が硫化亜鉛、セレン化亜鉛、ゲルマニウム
、ヒ化ガリウム、リン化ガリウム、テルル化カドミウム
水銀およびテルル化カドミウムならびに一般化学式MN
_2S_4(式中MはIA族元素から選ばれる一価のイ
オンであり、Nはランタニド系列希土類元素から選ばれ
る二価のイオンであり、Sはスルフィド陰イオンS^2
^−である)を有する三元硫化物よりなる群から選ばれ
る材料からなり;第1の高弾性率材料が酸化イットリウ
ム、酸化スカンジウム、酸化マグネシウム、あるいは酸
化イットリウム、酸化スカンジウムおよび酸化マグネシ
ウムの各種混合物よりなる群から選ばれ;かつ第2の高
弾性率材料が硬質炭素、酸化セリウム、酸化チタンおよ
び酸化ジルコニウムよりなる群から選ばれる、特許請求
の範囲第24項に記載の組合わせ。
(26) Base layer is zinc sulfide, zinc selenide, germanium, gallium arsenide, gallium phosphide, cadmium mercury telluride, cadmium telluride and general chemical formula MN
_2S_4 (in the formula, M is a monovalent ion selected from group IA elements, N is a divalent ion selected from lanthanide series rare earth elements, and S is a sulfide anion S^2
the first high modulus material is yttrium oxide, scandium oxide, magnesium oxide, or various mixtures of yttrium oxide, scandium oxide, and magnesium oxide; and the second high modulus material is selected from the group consisting of hard carbon, cerium oxide, titanium oxide and zirconium oxide.
(27)第1層がt=(2N+1)λ/4/n_c_1
(式中Nは整数0、1、2、3、……であり、λは目的
とする特定の波長であり、n_c_1はその波長におけ
る第1層材料の屈折率である)により与えられる物理的
厚さtを有し;かつ第2層の物理的厚さがt=(2N+
1)λ/4/π_c_2(式中n_c_2は第2層材料
の屈折率である)により与えられる、特許請求の範囲第
26項に記載の組合わせ。
(27) The first layer is t=(2N+1)λ/4/n_c_1
(where N is an integer 0, 1, 2, 3, ..., λ is the specific wavelength of interest, and n_c_1 is the refractive index of the first layer material at that wavelength). and the physical thickness of the second layer is t=(2N+
27. The combination of claim 26, given by 1) λ/4/π_c_2, where n_c_2 is the refractive index of the second layer material.
(28)保護すべき領域上に、第1材料の弾性率の少な
くとも2倍の弾性率を有し、かつ液滴衝撃に際して半径
方向アウトフローにより生じる剪断応力に応答した第1
材料からの剥離に対して抵抗性である第2材料の層を施
す工程からなる、第1弾性率を有する第1材料からなる
光学素子の領域を、高速液滴環境中で遭遇する衝撃損傷
から保護する方法。
(28) a first material having a modulus of elasticity at least twice that of the first material on the area to be protected and responsive to shear stress caused by radial outflow upon droplet impact;
applying a layer of a second material that is resistant to delamination from the material, protecting an area of the optical element made of a first material having a first modulus from impact damage encountered in a high velocity droplet environment; How to protect.
(29)光学素子を構成する材料が硫化亜鉛、セレン化
亜鉛、ゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化ガリウム、
テルル化カドミウム水銀およびテルル化カドミウムより
なる群から選ばれ;かつ第2材料が酸化イットリウム、
酸化スカンジウム、酸化マグネシウム、あるいは酸化イ
ットリウム、酸化スカンジウムおよび酸化マグネシウム
の均質な各種混合物よりなる群から選ばれる、特許請求
の範囲第27項に記載の方法。
(29) The material constituting the optical element is zinc sulfide, zinc selenide, germanium, gallium arsenide, gallium phosphide,
cadmium telluride selected from the group consisting of mercury telluride and cadmium telluride; and the second material is yttrium oxide,
28. The method of claim 27, wherein the oxide is selected from the group consisting of scandium oxide, magnesium oxide, or homogeneous mixtures of yttrium oxide, scandium oxide, and magnesium oxide.
(30)さらに第2材料の層上に第3材料の層を施す工
程からなり、その際第3材料が第1材料の弾性率の少な
くとも2倍の弾性率、および第2材料の屈折率よりも大
きな屈折率を有する、特許請求の範囲第27項に記載の
方法。
(30) further comprising applying a layer of a third material over the layer of the second material, wherein the third material has an elastic modulus at least twice that of the first material and a refractive index greater than the second material. 28. A method according to claim 27, wherein the material also has a large refractive index.
(31)第3材料が硬質炭素、酸化セリウム、酸化チタ
ンおよび酸化ジルコニウムよりなる群から選ばれる、特
許請求の範囲第30項に記載の方法。
(31) The method according to claim 30, wherein the third material is selected from the group consisting of hard carbon, cerium oxide, titanium oxide, and zirconium oxide.
(32)酸化イットリウム、酸化スカンジウムおよび酸
化マグネシウムよりなる群から選ばれる材料からなる第
1層を基層と硬質炭素層の間に施す工程からなる、硬質
炭素の層をII〜V族またはIII〜V族の物質よりなる群
から選ばれる材料からなる基層に結合させる方法。
(32) A layer of hard carbon of group II-V or group III-V consisting of a step of applying a first layer made of a material selected from the group consisting of yttrium oxide, scandium oxide, and magnesium oxide between the base layer and the hard carbon layer. A method of bonding to a substrate consisting of a material selected from the group consisting of substances of the group consisting of:
(33)II〜VI族の物質が硫化亜鉛、セレン化亜鉛、テ
ルル化カドミウム水銀、テルル化カドミウムよりなる群
から選ばれ、III〜V族の物質がヒ化ガリウムおよびリ
ン化ガリウムよりなる群から選ばれる、特許請求の範囲
第32項に記載の方法。
(33) The substances of Groups II to VI are selected from the group consisting of zinc sulfide, zinc selenide, cadmium mercury telluride, and cadmium telluride, and the substances of Groups III to V are selected from the group consisting of gallium arsenide and gallium phosphide. 33. The method of claim 32, wherein the method is selected.
(34)基層、第1層および硬質炭素層が光学的に透明
な素子を与える、特許請求の範囲第33項に記載の方法
(34) The method of claim 33, wherein the base layer, first layer and hard carbon layer provide an optically transparent element.
(35)第1層がt=(2N+1)λ/4/n_c(式
中λは目的とする波長であり、n_cは波長λにおける
第1層材料の屈折率であり、Nは整数0、1、2、3、
……である)により与えられる物理的厚さtを有する、
特許請求の範囲第34項に記載の方法。
(35) The first layer is t=(2N+1)λ/4/n_c (where λ is the desired wavelength, n_c is the refractive index of the first layer material at the wavelength λ, and N is an integer 0, 1 ,2,3,
) has a physical thickness t given by
A method according to claim 34.
(36)あらかじめ定められた光の透過率を有する材料
よりなる基層からなり、この光学材料の表面部分が圧縮
されており、この圧縮された表面部分が該表面部分に配
置された多数の溝を有し、これらの溝の下側およびこれ
らの溝の隣接するものの間に基層材料の圧縮領域が配置
されている光学素子。
(36) Consists of a base layer made of a material having a predetermined light transmittance, a surface portion of this optical material is compressed, and this compressed surface portion has a plurality of grooves arranged on the surface portion. an optical element having compressed regions of substrate material disposed below the grooves and between adjacent ones of the grooves.
(37)基層が硫化亜鉛、セレン化亜鉛、ゲルマニウム
、ヒ化ガリウム、リン化ガリウム、テルル化カドミウム
水銀およびテルル化カドミウムならびに一般化学式 M
N_2S_4(式中MはIA族元素から選ばれる一価の
陽イオンであり、Nはランタニド系列希土類元素から選
ばれる陽イオンであり、Sはスルフィド陰イオンS^2
^−である)を有する三元硫化物よりなる群から選ばれ
る材料からなる、特許請求の範囲第36項に記載の光学
素子。
(37) The base layer is zinc sulfide, zinc selenide, germanium, gallium arsenide, gallium phosphide, cadmium mercury telluride, cadmium telluride, and the general chemical formula M
N_2S_4 (where M is a monovalent cation selected from group IA elements, N is a cation selected from lanthanide series rare earth elements, and S is a sulfide anion S^2
37. The optical element according to claim 36, wherein the optical element is made of a material selected from the group consisting of ternary sulfides having the following properties:
(38)圧縮材料領域が約3ミクロンの厚さを有する、
特許請求の範囲第37項に記載の光学素子。
(38) the compressed material region has a thickness of about 3 microns;
The optical element according to claim 37.
(39)材料の表面部分を該材料の圧縮表面部分に変え
て、該材料の破壊強さよりも高い破壊強さを有する層を
施す工程からなる、調整された補強面を材料に施す方法
(39) A method of applying a tailored reinforcing surface to a material, comprising the step of applying a layer having a breaking strength higher than the breaking strength of the material, converting the surface portion of the material into a compressed surface portion of the material.
(40)光学素子の表面をシングルポイント旋削して、
外表に該光学素子の圧縮表面層部分を導入する工程を含
む、光学素子外表の補強法。
(40) Single-point turning the surface of the optical element,
A method for reinforcing an outer surface of an optical element, the method comprising the step of introducing a compressed surface layer portion of the optical element onto the outer surface.
(41)旋削工程がシングルポイントダイヤモンド工具
により行われる、特許請求の範囲第40項に記載の方法
(41) The method according to claim 40, wherein the turning step is performed with a single point diamond tool.
(42)旋削工程が光学素子を旋削してまず少なくとも
25.4ミクロン(1ミル)の厚さを有する表面層部分
を外表から除去し; 次いで該光学素子を旋削して少なくとも厚さ0.254
ミクロン(0.01ミル)の表面部分を外表から除去し
、光学素子の外表に該表面部分における溝を施し、その
際これらの溝が圧縮材料領域により隔てられている、特
許請求の範囲41項に記載の方法。
(42) the turning step turns the optical element to first remove from the outer surface a portion of the surface layer having a thickness of at least 25.4 microns (1 mil); and then turning the optical element to a thickness of at least 0.254 microns (1 mil);
41. Micron (0.01 mil) surface portions are removed from the outer surface and the outer surface of the optical element is provided with grooves in the surface portions, the grooves being separated by regions of compressed material. The method described in.
(43)光学素子がドーム、レンズ、プレートおよび窓
よりなる群から選ばれる、特許請求の範囲第42項に記
載の方法。
(43) The method of claim 42, wherein the optical element is selected from the group consisting of a dome, a lens, a plate, and a window.
(44)光学素子の材料が硫化亜鉛、セレン化亜鉛、テ
ルル化カドミウム水銀、テルル化カドミウム、ゲルマニ
ウム、ヒ化ガリウムおよびリン化ガリウムよりなる群か
ら選ばれる、特許請求の範囲第43項に記載の方法。
(44) The material of the optical element is selected from the group consisting of zinc sulfide, zinc selenide, cadmium mercury telluride, cadmium telluride, germanium, gallium arsenide, and gallium phosphide. Method.
(45)材料がセレン化亜鉛および硫化亜鉛よりなる群
から選ばれる、特許請求の範囲第44項に記載の方法。
(45) The method according to claim 44, wherein the material is selected from the group consisting of zinc selenide and zinc sulfide.
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