DE3880629T2

DE3880629T2 - Dicke, stossresistente Antireflexbeschichtungen für IR-durchlässige optische Elemente.

Info

Publication number: DE3880629T2
Application number: DE88310773T
Authority: DE
Inventors: Dennis G Montanari; Randal W Tustison
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1987-11-20
Filing date: 1988-11-15
Publication date: 1993-11-25
Anticipated expiration: 2008-11-16
Also published as: EP0317264B1; EP0317264A3; DE3880629D1; JPH01259301A; EP0317264A2; US4907846A; CA1307964C

Description

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft allgemein optische Elemente und genauer die Stoßschutzbeschichtung und Antireflexionsbeschichtung optischer Elemente.
Wie in der Technik bekannt enthalten optische Abbildungssysteme im allgemeinen ein außen angeordnetes optisches Element oder mehrere außen angordnete optische Elemente, welches bzw. welche den Rest des Abbildungssystems gegenüber einer äußeren Umgebung abschirmt bzw. abschirmen. Beispielsweise ist bei Infrarot-Flugkörper-Abbildungssystemen ein gegenüber Infrarotstrahlung transparentes optisches Element, etwa ein Fenster oder ein Dom, im allgemeinen auf dem Flugkörpersystem so angeordnet, daß der Rest des Infrarot-Abbildungssystems von feuchten, korrodierenden und Abrieb verursachenden Umgebungen ferngehalten wird. Ein längeres Ausgesetztwerden gegenüber diesen Umgebungen verschlechtert im allgemeinen die optischen und physikalischen Eigenschaften des Materials des äußeren optischen Elementes. Allgemein aber scheint das gefährlichste Ausgesetztwerden einer Umgebung, das solchen äußeren optischen Elementen geschehen kann, der Einschlag von Wassertröpfchen hoher Geschwindigkeit zu sein, welcher auftritt, wenn das Flugkörpersystem durch ein Regenfeld geflogen wird.
Dieses Problem eines Wassertröpfcheneinschlags wird allgemeiner auf diesem Gebiete als Regenerosion bezeichnet. Während des Fluges durch ein Regenfeld schlagen Wassertröpfchen aus dem Regenfeld auf die Oberfläche des äußeren Elementes ein und erzeugen selbst bei Unterschallgeschwindigkeiten Brüche unter der Oberfläche. Bei sehr brüchigen Materialien werden diese unter der Oberfläche befindlichen Brüche bei zuvor schon existierenden Mikrofehlern ausgelöst, welche nahe oder an der Oberfläche des optischen Elementes liegen. Regenerosionsbeschädigung an solchen optischen Elementen geschieht vor einem merklichen Materialabtrag. Die bloße Ausbreitung dieser zuvor vorhandenen Mikrofehler ist ausreichend um das optische Element zu beschädigen. Im einzelnen breiten sich diese Mikrofehler durch das optische Element durch die Zugkomponente einer Oberflächenspannungswelle aus, welche zu der Zeit des Einschlages eines Wassertröpfchens verursacht wird. Ist ein unter der Oberfläche liegender Sprung einmal gebildet, so verursacht seine fortgesetzte Ausbreitung durch das optische Element oft große Sprünge in diesem. In dem Bereich der Sprünge tritt eine Streuung und Brechung der einfallenden Infrarotenergie auf, was zu erhöhten inneren Refelxionen und zu Verlusten an Infrarotenergie führt. Bei einer beträchtlichen Anzahl derartiger Sprünge wird die Durchlässigkeit des optischen Elementes schwerwiegend herabgesetzt. Weiter kann, wenn sich die Sprünge durch das optische Element ausbreiten, ein katastrophaler Fehler des Elementes auftreten. Wenn das optische Element zerspringt oder bricht, so werden die übrigen optischen Elemente des Infrarot-Abbildungssystems der äußeren Umgebung ausgesetzt, was in einer möglichen katastrophalen Beschädigung des optischen Systems resultiert.
Typischerweise sind Materialien, welche die beste mechanische Dauerhaftigkeit und optische Eigenschaft für Infrarotabbildungssysteme aufweisen, beispielsweise gegenüber langwelliger Infrarotenergie (LWIR), insbesondere im Infrarotbandbereich von 8,0um bis 12,0um, auf eine verhältnismäßig kleine Zahl beschränkt. Geeignete Materialien enthalten Zinksulfid, Zinkselenid, Germanium, Galliumarsenid, Galliumphosphid, Quecksilber-Kadmium-Tellurid und Kadmium- Tellurid. Ternäre Sulfide mit der Formel MLn&sub2;S&sub4;, worin M ein Kation der Gruppe 2a, Ln ein Lanthanid-Seltenerden-Kation und S das S²&supmin;-Sulfid-Anion bedeuten, etwa Kalzium-Lanthan-Sulfid, werden gegenwärtig für Infrarotanwendungsfälle insbesondere in dem 8 bis 12um-Band entwickelt. Diese ternären Sulfidmaterialien können bestimmte Verbesserungen in der Dauerhaftigkeit erbringen, aber selbst diese Materialien sind gegenüber den oben erwähnten Umwelteinflüssen empfindlich. Allgemein sind sämtliche der vorerwähnten Materialien verhältnismäßig spröde und gegenüber Beschädigung verhältnismäßig wenig widerstandsfähig, insbesondere gegenüber Beschädigung unter Wassertröpfcheneinschlag hoher Geschwindigkeit.
Es ist auch in der Technik bekannt, daß optische Energie, die auf eine Oberfläche des optischen Elementes fällt, eine Reflexion an dieser Oberfläche erleidet, wenn der Brechungsindex des das optische Element bildenden Materials ausreichend unterschiedlich von dem Brechungsindex des Mediums ist, aus dem die Energie kommt. Allgemein ist bei Flugkörpersystemen das Herkunftsmedium Luft mit einem Brechungsindex von etwa 1. Demgemäß ist es allgemeine Übung in der optischen Industrie, Beschichtungen von Materialien mit geeignetem Brechungsindex über der Eingangsoberfläche des optischen Elementes anzubringen, um derartige Reflexionsverluste zu vermindern. Bei den abgelagerten Dicken, welche allgemein auf einen Bruchteil einer optischen Wellenlänge bezogen sind, sind diese Beschichtungen im Infrarotband transparent. Bisher aber dienten solche optischen Beschichtungen nur zur Verminderung der Reflexionsverluste, die durch Fehlanpassung der Brechungsindizes verursacht wurden und dienten nicht zur Erhöhung der Stoßfestigkeit der optischen Elemente in nennenswertem Maße.
Es ist weiter auf diesem Gebiet bekannt, daß eine Schicht aus Hartkohlenstoff, d.h. eine Kohlenstoffschicht mit quasi Diamantbindungen und im wesentlichen optischer Transparenz, wenn sie über Germanium angebracht wird, einen begrenzten Schutz optischer Elemente aus Germanium gegenüber Stoßbeschädigungen aufgrund von Regenerosion bewirkt. Hartkohlenstoffbeschichtungen auf Germanium sind beschrieben in einer Veröffentlichung "Liquid Impact Erosion Mechanisms and Transparent Materials", von J. E. Fields u.a. Final Reports, 30. September 1982 bis 31. März 1983, Contract Nr. AFOSR-78- 3705-D, Report Nr. AFWAL-TR-83-4101. Die Hartkohlenstoffmaterialien konnten nicht erfolgreich zur Haftung unmittelbar an anderen Infrarotmaterialien wie beispielsweise Zinksulfid und Zinkselenid angebracht werden. Weiter neigen Hartkohlenstoffbeläge, selbst wenn sie, wie in der Veröffentlichung erwähnt, auf Germanium angebracht sind, zur Ablösung während des Einschlags von Wassertröpfchen hoher Geschwindigkeit. Man hat in der genannten Veröffentlichung theoretisch überlegt, daß die Schubkräfte, welche von einem radialen Auseinanderfließen während des Einschlags von Wassertröpfchen resultieren, die Ablösung der Hartkohlenstoffbeschichtung von der Germaniumschicht verursachen. Diese Erscheinung des Ablösens erhöht sich vermutlich stark,wenn die Dicke der Kohlenstoffschicht vergrößert wird. Während daher dickere Hartkohlenstoffbeschichtungen in einem weiteren Stoßschutz für das optische Element resultieren müßten, sind tatsächlich diese dickeren Schichten empfindlicher, was auf dem zuvor erwähnten Ablösungsproblem beruht. Ein weiteres Problem bei Hartkohlenstoff besteht darin, daß der Brechungsindex von Hartkohlenstoff etwa 2,45 beträgt und wesentlich höher als der Brechungsindex vieler der zuvor erwähnten optischen Materialien etwa von Zinksulfid und Zinkselenid, ist. Wenn daher ein optisches Element mit einer Hartkohlenstoffbeschichtung versehen wird, sind die Refelxionsverluste an der Einfallsoberfläche des optischen Elementes höher als wenn das optische Element nicht beschichtet wurde.
In der FR-A-2 247 737 (entsprechend der US-A- 4 130 672 und der DE-C 2 443 718) ist ein Verfahren zur Beschichtung eines optischen Harzes oder eines Glases mit Schichten aus Siliziumoxyd und Siliziumdioxyd beschrieben. Im einzelnen ist dort ein Substrat aus Diätylenglykohl Bisallylkarbonat beschrieben, das ein temperaturhärtendes Harz ist, welches durch Ablagern in Vakuum entweder mit einer λ/4 dicken Schicht aus Siliziumoxyd gefolgt von einer λ/4 dicken Schicht aus Siliziumdioxyd beschichtet wird, worin λ= 530nm, oder welches mit einer (2,1/4)λ dicken Schicht aus Siliziumdioxyd, gefolgt durch eine (0,27/4)λ dicken Schicht aus Siliziumoxyd, gefolgt von einer (2,1/4)λ dicken Schicht aus Siliziumdioxyd beschichtet wird, worin λ=530nm. Die Durchlässigkeit des fertigen optischen Elementes bei 530nm ist etwa 99,5% und die zusammengesetzte Siliziumoxyd-Siliziumdioxyd-Schicht ist wesentlich härter als der übliche Antireflexionsbelag aus MgF&sub2;.
Es ist daher wünschenswert, ein optisches Element zu schaffen, welches einen hohen Grad an Dauerhaftigkeit der Widerstandsfähigkeit gegenüber Umgebungseinflüssen insbesondere dem Einschlag von Wassertropfen hoher Geschwindigkeit hat und verbesserte optische Eigenschaften innerhalb des Bandes von Wellenlängen von 8um bis 12um, insbesondere an bestimmten Bereichen innerhalb des genannten Wellenlängenbandes hat. Es ist von besonderem Interesse, eine Stoßschutz- Antireflexionsschicht zu schaffen, welche vornehmlich spröde Materialien wie Zinksulfid und Zinkselenid zumindestens über den Wellenlängenbereich von 8um bis 12um schützt.
Gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein infrarotdurchlässiges optisches Bauteil geschaffen, welches folgendes enthält:
eine Basis, die ein erstes Material mit einer ersten vorbestimmten optischen Infrarotdurchlässigkeit über einen vorbestimmten Bereich infraroter Wellenlängen und einen ersten vorbestimmten Elastizitätsmodul aufweist;
gekennzeichnet durch eine zusammengesetzte Schicht, die auf der Basis angeordnet ist und zu deren Schutz gegen Erosion durch Flüssigkeitstropfeneinschalg dient, mit
einer ersten Schicht aus einem zweiten unterschiedlichem Material mit einem zweiten, höheren Elastizitätsmodul als demjenigen des ersten Materials, wobei die genannte Schicht eine optische Dicke von etwa (2N+1)λ/2 hat, worin λ eine Wellenlänge innerhalb des vorbestimmten Bereiches infraroter Wellenlängen des ertsen Materials der Basis ist und N eine ganze Zahl bedeutet und
eine zweite Schicht aus einem dritten, unterschiedlichen Material mit einem dritten Elastizitätsmodul, der größer ist als derjenige des ersten Materials, einem Brechungsindex bei der betrefenden Wellenlänge derart, daß ein Antireflexionskorrektur des infrarotdurchlässigen optischen Bauteils erzielt wird, und einer optischen Dicke von etwa λ/4.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Schutz eines infrarotdurchlässigen optischen Bauteils gegen Beschädigung durch Wassertröpfcheneinschlag mit folgenden Schritten geschaffen:
Bereitstellen des optischen Bauteils mit einer Basis, welche ein erstes Material mit einer ersten vorbestimmten optischen Infrarotdurchlässigkeit über einen bestimmten Bereich von Infrarotwellenlängen aufweist; Vorsehen einer ersten Schicht aus einem zweiten Material mit einem zweiten größeren Elastizitätsmodul gegenüber dem Elastizitätsmodul des ersten Materials, wobei diese Schicht eine optische Dicke von etwa (2N+1)λ/2 hat, worin λ eine Wellenlänge innerhalb des vorbestimmten Bereiches von Infrarotwellenlängen des ersten Materials der Basis ist und N eine ganze Zahl bedeutet; und
Vorsehen einer zweiten Schicht, welche ein drittes Material mit einem dritten größeren Elastizitätsmodul gegenüber dem Elastizitätsmodul des ersten Materials und einen Brechungsindex aufweist, der so gewählt ist, daß er eine Antireflexionskorrektur des optischen Bauteils bewirkt, und mit einer optischen Dicke von etwa λ/4.
Entsprechend einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung enthält ein optisches Bauteil für Infrarot, welches gegenüber infraroter optischer Energie mindestens innerhalb des Bandes von 8 bis 12um transparent ist und welches gegenüber Wassertröpfcheneinschlag mit hoher Geschwindigkeit widerstandsfähig ist, eine Basisschicht aus einem ersten Material mit einem ersten vorbestimmten Elastizitätsmodul, einer vorbestimmten optischen Durchlässigkeit über den Bereich optischer Wellenlängen und einen ersten vorbestimmten Brechungsindex (ns). Über der Basisschicht wird eine zusammengesetzte Schicht angeordnet und enthält eine erste Schicht aus einem zweiten Material mit einem zweiten wesentlich höheren Elastizitätsmodul gegenüber dem Elastizitätsmodul des ersten Materials und einem vorbestimmten zweiten Brechungsindex (no). Die erste Lage der Schicht wird in einer optischen Dicke (to) abgelagert, welche im wesentlichen gegeben ist durch: to= (2N+1)λ/2, worin λ eine gewählte Wellenlänge in dem Wellenlängenbereich ist und N gegeben ist zu 0, 1, 2, 3,.... Die zusammengesetzte Schicht enthält eine zweite Lage aus einem dritten Material mit einem hohen Elastizitätsmodul und einem Brechungsindex zwischen dem Brechungsindex des Materials der ersten Lage und dem Brechungsindex von Luft. Bei dieser besonderen Anordnung hat die erste Lage aus Material mit hohem Elastizitätsmodul eine Dicke entsprechend ungeradzahligen Vielfachen einer halben Wellenlänge. Die Wellenlänge ist so gewählt, daß sie eine Wellenlänge ist, bei welcher optische Energie durch das optische Bauteil maximal durchgelassen werden muß. Bei dieser Planungswellenlänge lann daher der Brechungsindex der ersten Lage wesentlich unterschiedlich von dem Brechungsindex der Basis sein, ohne das ein wesentlicher Einfluß auf die optischen Eigenschaften des optischen Bauteils zumindest bei dieser Entwurfswellenlänge auftritt. Die Wahl des ungeradzahligen Vielfachen einer halben Wellenlänge bezüglich der optischen Dicke vermindert auch die Anforderungen der Indexanpassung bei Wellenlängen nahe,jedoch nicht gleich,der Entwurfswellenlänge. Folglich ist eine verhältnismäßig dicke erste Lage eines zweiten Materials mit einem beträchtlich hohen Elastizitätsmodul vorgesehen, die eine entsprechende Schutzwirkung für das optische Bauteil hat. Durch Vorsehen der zweiten Lage aus einem dritten Material mit einem hohen Elastizitätsmodul und mit einem Brechungsindex zwischen demjenigen der ersten Lage und Luft werden ein Schlagschutz und geeignete Antireflexionskorrekturen für das optische Bauteil geschaffen, wenn die zweite Lage eine optische Dicke gleich to=(2N+1)λ/4 bei der Wellenlänge hat, welche maximal durchgelassen werden muß.
Vorzugsweise wird die Basisschicht des Bauteils aus einer Werkstoffgruppe gewählt, welche aus Zinksulfid und Zinkselenid besteht. Die zusammengesetzte Beschichtungslage wird über der Basisschicht angeordnet und enthält eine erste Lage eines zweiten Materials, welches aus der Werkstoffgruppe gewählt ist, die aus Zeroxid, Titanoxyd, Zirkonoxyd und Mischungen davon besteht, sowie eine zweite Lage aus einem dritten Material, das aus der Werkstoffgruppe gewählt ist, die aus Yttriumoxyd, Scandiumoxyd, Mischungen hiervon und solchen Mischungen unter Einschluß von Magnesiumoxyd besteht. Die erste Lage der zusammengesetzten Beschichtung wird in einer optischen Dicke abgelagert, die im wesentlichen einem ungeradzahligen Vielfachen einer halben Wellenlänge entspricht, nämlich bei einer Wellenlänge der optischen Energie, welche maximal durchgelassen werden muß. Die zweite Lage der zusammengesetzten Beschichtung hat einen hohen Elastizitätsmodul und eine optische Dicke, die einem Viertel der Wellenlänge (λ/4) entspricht, sowie einen Brechungsindex zwischen dem Brechungsindex der Materialien der Basisschicht und der ersten Lage einerseits und dem Brechungsindex von Luft andererseits. Bei dieser besonderen Anordnung werden optische Bauteile, die aus besonders spröden LWIR-Materialien wie Zinksulfid und Zinkselenid, hergestellt sind, gegenüber dem Tröpfcheneinschlag geschützt und haben eine Antireflexionsbeschichtung, welche auch eine beträchtlich Widerstandsfähigkeit gegenüber Tröpfcheneinschlag aufweist.
Vorzugsweise ist eine Haftvermittlerschicht zwischen der Basis und der ersten Beschichtungslage angeordnet. Die Haftungsschicht ist eine effektif optisch dünne Schicht aus Yttriumoxyd mit einer optischen Dicke von etwa 10&supmin;³um bis 10&supmin;¹um (10Å bis 1000Å). Das Material der ersten Beschichtungslage kann aus der Materialgruppe gewählt sein, die aus Hartkohlenstoff oder Diamant, Zeroxyd, Titanoxyd, Zirkonoxyd und Mischungen davon besteht. Die erste Beschichtungslage ist mit einer optischen Dicke versehen, welche gleich einem ungeradzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge bei derjenigen Wellenlänge ist, welche maximal durchgelassen werden muß. Die zweite Beschichtungslage wird dann über der ersten Beschichtungslage abgelagert, um einen Antireflexionskorrektur der Beschichtung zu bewirken. Bei dieser Anordnung kann die dünne Haftvermittlungsschicht aus Yittriumoxyd dazu verwendet werden, Materialien sehr hohen Elastizitätsmoduls wie beispielsweise Hartkohlenstoffschichten, auf dem Basismaterial, beispielsweise Zinksulfid, Zinkselenid, Germanium, Quecksiblber-Kadmium-Tellurid, Kadmium- Tellurid und Silizium, sowie ternären Sulfiden wie beispielsweise Kalzium-Lanthan-Sulfid zu befestigen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die vorgenannten Merkmale dieser Erfindung sowie die Erfindung selbst werden aus der nachfolgenden, ins einzelne gehende Beschreibung der Zeichnungen voll verständlich, in welchen:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines optischen Bauteils, vorliegend einer Platte, ist, die eine Basisschicht und eine zusammengesetzte Schutzschicht entsprechend der vorliegenden Erfindung enthält;
Fig. 2 eine Querschnittsdarstellung entsprechend der in Figur 1 angedeuteten Linie 2-2 ist, welche die zusammengesetzte Schutzschicht entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 3 eine Querschnittsdarstellung entsprechend der in Figur 1 gezeigten Linie 3-3 ist, welche die zusammengesetzte Schutzschicht entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 4 eine Schnittdarstellung entsprechend der in Figur 1 angedeuteten Linie 4-4 ist, die eine zusammengesetzte Schutzschicht entsprechend wiederum einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 5 ein Diagramm darstellt, das die prozentuale Reflektivität abhängig von der Wellenlänge für Einzellagenbeschichtungen entsprechend ungeradzahligen Vielfachen für die Schutzschichten zeigt;
Fig. 6 ein Diagramm der prozentualen Reflektivität abhängig von der Wellenlänge für zusammengesetzte Schutzschichten entsprechend der vorliegenden Erfindung wiedergibt und
Fig. 7 ein Diagramm der prozentualen Reflektivität abhängig von der Wellenlänge für eine optimierte zusammengesetzte Schutzschicht nach der vorliegenden Erfindung angibt.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Es wird nun eine dicke optische Antireflexionsbeschichtung beschrieben, welche das optische Infrarot-Bauelement vor Umwelteinflüssen schützt und welche eine geeignete Antireflexionsanpassung für das optische Bauteil über ein interessierendes Durchlassband bewirkt.
Es sei auf Figur 1 Bezug genommen. Hier ist ein optisches Bauteil, vorliegend eine Platte 10 gezeigt, welche eine Basisschicht 12 aufweist, die ein Material mit vorbestimmten optischen Eigenschaften enthält. Während das optische Bauteil, das hier beschrieben wird, vornehmlich die Gestalt einer Platte hat, versteht es sich, das andere Arten optischer Bauteile wie Fenster, Dome, Linsen u.s.w. mit anderen Gestalten als derjenigen einer Platte alternativ an die Stelle der erwähnten Platte 10 gesetzt werden können. Typischerweise hat die Basis 12 der Platte 10 eine Dicke von mindestens 0,127cm (0,05 Zoll) und im allgemeinen von 0,254cm (0,1 Zoll) bis etwa 1,72cm (0,5 Zoll) oder dicker. Die Basis 12 der Platte 10 kann weiter ausgewählte optische Eigenschaften besitzen. Beispielsweise kann die Basis 10 aus einem Material bestehen, welches durchlässig gegenüber optischer Energie im allgemeinen im Infrarotbereich, sichtbaren Bereich und/oder ultravioletten Bereich des Spektrums ist. Das Material kann dielektrisch sein oder ein Halbleitermaterial sein. Für optische Bauteile, welche in Infrarot-Abbildungssystemen im Wellenlängenbereich von 8um bis 12um verwendet werden, sind im Einzelnen bevorzugte Materialien unter anderen Silizium, Germanium, Galliumarsenid, Galliumphosphid, Quecksilber-Kadmium-Tellurid, Kadmiumtellurid, Zinksulfid, Zinkselenid, oder eines der ternären Sulfide wie beispielsweies Kalzium-Lanthan-Sulfid. Das ausgewählte Material der Schicht 12 kann nach irgendeinem bekannten Verfahren erzeugt werden, beispielsweise Pulver-Verfestigung und -Verdichtung oder durch chemische Dampfablagerung. Für Infrarot-Anwendungsfälle ist das für die Schicht 12 gewählte Material insbesondere im allgemeinen gekennzeichnet durch einen verhältnismäßig niedrigen Elastizitätsmodul typischerweise im Bereich von 34,48x10&sup9;Pa bis 142,04x10&sup9;Pa (5x10&sup6;psi bis 20x10&sup6;psi), eine hohe Durchlässigkeit gegenüber Infrarotenergie typischerweise im Bereich von mindestens 50 bis 75% mindestens über einen Teil des Infrarot-Wellenlängenbandes von 2um bis 30um hin, und einen Brechungsindex bei 10um im allgemeinen im Bereich von 2,2 bis 4. Die relevanten mechanische und optischen Eigenschaften einiger dieser Materialien sind in der nachfolgenden Tabelle I zusammengestellt. Tabelle I Eigenschaften von Materialien für die Basisschicht 12 Material Brechungsindex bei 10um Thermischer Ausdehnungskoeffizient (10&sup6;/ºC) Elastizitätsmodul X10&sup6;psi X10&sup9;Pa
Vorliegend ist über der Schicht 12 eine schlagwiderstandsfähige zusammengesetzte Antireflexions-Beschichtungslage 11 angeordnet. Es genügt hier die Feststellung, daß die zusammengesetzte Beschichtungslage 11 eine der Strukturen hat, welche nun betrachtet werden.
Es sei nun auch auf Figur 2 Bezug genommen. Die Beschichtungslage 11 enthält eine erste Schutzschicht 14, die über und vorzugsweise auf dem Material angeordnet ist, das die Basis 12 bildet. Die Schutzschicht 14 besteht aus einem Material, das einen Elastizitätsmodul aufweist, der wesentlich höher ist als der Elastizitätsmodul des Materiales der Basis 12 und das einen hohen Grad von Transparenz bei der abgelagerten Dicke der Lage 14 über den gewählten Wellenlängenbandbereich des optischen Bauteils besitzt. Die Lage 14 hat eine physikalische Dicke entsprechend einer halben optischen Wellenlänge bei einer bestimmten interessierenden Wellenlänge innerhalb dem optischen Durchlaßband der Platte 10. Im allgemeinen ist die optische Dicke (to) einer solchen Lage definiert als das Produkt der physikalischen Dicke (tp) der Beschichtgung 14 und dem Brechungsindex (nc) des Materials der Beschichtung 14, (to = tp x nc). Die Platte 10 ist mit der Schicht 14 in einer optischen Dicke to = λ/2 versehen, was einer physikalischen Dicke von tp = λ/2nc entspricht, worin λ die Wellenlänge von besonderem Interesse für die Platte 10 ist und nc der Brechungsindex der Beschichtung bei der interessierenden Wellenlänge ist.
Weiter hat das abgelagerte Material eine hohen Grad von Haftung gegenüber dem Material der Schicht 12 und ist insbesondere in hohem Maße widerstandsfähig gegenüber einer Ablösung, die durch Schubspannungen verursacht wird, die durch radiales Auseinanderfließen während eines Tropfeneinschlages mit hoher Geschwindigkeit, beispielsweise Wassertropfeneinschlag, auftritt. Die Schicht 14 kann durch irgendein Verfahren erzeugt werden, beispielsweise durch Ionenstrahlsputtern, Diodensputtern oder Aufdampfen. Weiter kann die Schicht 14 alternativ über der Platte 12 durch Tauchen der Platte 12 in eine Lösung aufgebracht werden, die einen organischen Träger und das Material hohen Elastizitätsmoduls enthält. Nach dem Eintauchen der Platte in die Lösung solchen Materials wird sie aus der Lösung herausgenommen und in einen Ofen eingebracht, wo der organische Träger ausgetrieben wird. Alternativ kann die Beschichtung durch Sprütrocknung einer Mischung aus einem Träger und dem Beschichtungsmaterial auf der Basisschicht abgelagert werden, die auf einen vorbestimmte Temperatur erhitzt ist. Mit diesen besonderen Beschichtungstechniken sind verhältnismäßig billige Verfahren verfügbar, um eine gleichförmige Beschichtgungsschicht 14 auf der Basis 12 zu schaffen.
Für das vorgenannte Basisschichtmaterial enthalten geeignete Beschichtungsmaterialien Hartkohlenstofffilme und Diamantfilme, Zeroxyd, Titanoxyd, Zirkonoxyd und Mischungen davon, beispielsweise Zeroxyd-Titanoxyd, Zeroxyd-Zirkonoxyd, und Titanoxyd-Zirkonoxyd. Die relevanten Eigenschaften von Materialien für die Schicht 14 sind in Tabelle 2 festgehalten. Tabelle II Eigenschaften von Materialien für die erste Schicht 14 Material Brechungsindex für n10um Thermischer-Ausdehnungskoeffizient Elastizitätsmodul Wasserlöslichkeit Hartkohlenstoff Diamant unlöslich
Angeordnet über der Schicht 14 ist eine Antireflexions- und Schlagschutzschicht 16 aus einem Material hohen Elastizitätsmoduls mit einem Brechungsindex zwischen dem Brechungsindex des Materials der Schicht 14 und des Materials, durch welches die Platte 10 bestrahlt werden soll. Für die oben erwähnten Material schichten gemäß halber Wellenlängen enthalten geeignete Beschichtungsmaterialien, welche ordnungsgemäße Antireflexionsschichten für das optische Bauteil ergeben, Yttriumoxyd (Y&sub2;O&sub3;), Magnesiumoxyd (MgO), und Scandiumoxyd (Sc&sub2;O&sub3;), sowie homogene Mischungen der zuvor erwähnten Materialien. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß Magnesiumoxyd, welches mit Wasser reagiert, für sich allein nicht geeignet zur Korrektur der Empfindlichkeit gegenüber Umgebungseinflüssen bezüglich Wassertropfeneinschlag und Feuchtigkeit ist. Die relevanten mechanischen und optischen Eigenschaften dieser Materialien sind in Tabelle III festgehalten. Tabelle III Eigenschaften von Materialien für die obere Schicht 16 Material Brechungsindex Durchlässigkeits bereich bei 1,5 um Dicke Termischer Ausdehnungskoeffizient 10&supmin;&sup6;/ ºC Elastizitätsmodul-10&sup6;psi 10&sup9;Pa Wasserlöslichkeit unlöslich unlöslich reagiert mit Wasser
Da die Dicke der Schicht 14 eine Wellenlängenhälfte bei derjenigen Wellenlänge der Strahlung ist, die maximal durchgelassen werden muß, kann bei der beschriebenen Anordnung der Brechungsindex der Schicht von dem Brechungsindex des Substrates unterschiedlich sein, ohne daß eine Wirkung auf die optischen Eigenschaften des optischen Bauteils bei der Entwurfswellenlänge auftritt. Die Halbwellenlängen-Beschichtung aus Material mit dem hohen Elastizitätsmodul, beispielsweise Hartkohlenstoff, Diamant, Zeroxyd, Titanoxyd und Zirkonoxyd, bewirkt weiter einen erhöhten Schutz bezüglich Schlagfestigkeit für das Basismaterial des optischen Bauteils. Darüberhinaus führt die Auswahl von Materialien wie Yttriumoxyd, Magnesiumoxyd und Scandiumoxyd für den Werkstoff der Antireflexionsbeschichtung 16 zu einer Antireflexionsbeschichtung die auch einen hohen Elastizitätsmodul hat, der für einen Schlagschutz des optischen Bauteils sorgt, während außerdem der geeignete Brechungsindex bei der Entwurfswellenlänge zur Verfügung steht, um eine Antireflexionskorrektur des optischen Bauteils zu erreichen. Die Dicke der Schicht 16 ist so gewählt, daß sie ein Viertel der Wellenlänge ist, die maximal durchgelassen werden muß.
Es sei nun auf Figur 3 Bezug genommen. Hier ist eine alternative Ausführungsform der Erfindung gezeigt, welche eine Basisschicht 12, wie oben beschrieben, zeigt, ferner eine Antireflexionsschicht 16, wie oben beschrieben, und eine bevorzugte dicke Schutzschicht 14', ebenfalls wie allgemein oben beschrieben, jedoch mit der Ausnahme, daß die Schutzschicht 14' eine optische Dicke (to) hat, die gegeben ist zu:
to = (2n+1)λ/2, worin n = 0, 1, 2, 3,...i
die physikalische Dicke entspricht folgendem:
tp = to/nc = (2n + 1)λ/2/nc,
hierin ist nc der Brechungsindex bei λ. Demgemäß hat, da Schichten mit Dicken von Vielfachen der halben Wellenlänge gewählt sind, eine Fehlanpassung des Brechungsindex zwischen den Index des Materials der Basisschicht 12 des optischen Bauteils 10 und des Brechungsindex der Schutzbeschichtung 14' keinen Einfluß auf die optischen Eigenschaften des Bauteils bei der Wellenlänge (λ), die maximal durchgelassen werden muß. Demzufolge kann die Schicht 14' in einer beliebigen großen Dicke von ungeradzahligen Vielfachen einer halben Wellenlänge, wie oben beschrieben, vorgesehen sein.
Es sei nun auf Figur 4 Bezug genommen. Hier ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, welches eine Haftvermittlerschicht 17 enthält, die zwischen der Antireflexions- Schutzbeschichtung 15, die im Zusammenhang mit Figur 3 beschrieben wurde, und der Basis 12 angeordnet ist. Wie in unserer britischen Anmeldung, Seriennummer 21 92 73 3A, veröffentlicht am 20. Januar 1988 (ebenso wie in der französischen Veröffentlichung 87 08 47 5 und der westdeutschen Veröffentlichung P 37 20 451.3) für Materialien wie Hartkohlenstoff, abgelagert über Materialien wie Zinksulfide und Zinkselenid beschrieben ist, ist es vorzuziehen, eine Haftungsschicht aus Yttriumoxyd (Y&sub2;O&sub3;) zwischenzulagern, um die Hartkohlenstoffschicht mit dem Zinksulfid und Zinkselenid der Trägermaterialien fest zu verbinden. Die Haftungsschicht aus Yttriumoxyd hat hier jedoch eine Dicke, welche wesentlich geringer ist als das Viertel einer Wellenlänge und vorzugsweise hat sie eine Dicke in der Größenordnung von 10&supmin;³um bis 10&supmin;²um (10Å bis 100Å), bis zu etwa 10&supmin;¹um (1000Å), und bildet lediglich eine Verbindungsschicht für den Hartkohlenstoff und auch fur Diamant, wenn diese als Beschichtungsschicht 14' verwendet werden. Es sei an diesem Punkt somit bemerkt, daß die Dicke der Schicht 17 nicht wesentlich die optischen Eigenschaften der Basis 12 beeinflußt, sondern lediglich für die körperliche Haftung der Hartkohlenstoffschicht oder Diamantschicht 14 an der Basis 12 der Platte 10 sorgt. Es sei weiter bemerkt, daß andere Materialien, beispielsweise Titanoxyd, Zirkonoxyd und Zeroxyd unmittelbar auf dem Substrat 12 abgelagert werden können, ohne das eine Schicht 17 vorgesehen ist. Es kann jedoch auch vorzuziehen sein, die Schicht 17 bei bestimmten Materialien in der Schicht 12 vorzusehen.
Es sei nun auf die Figuren 5 bis 7 Bezug genommen, in denen Diagramme der prozentualen Reflektivität in Abhängigkeit von der Wellenlänge dargestellt sind. Figur 5 zeigt ein theoretisches Diagramm bei Verwendung von Viertelwellenlängenbeschichtungen eines optischen Materials mit einem Brechungsindex, welcher kleiner als der Brechungsindex des Materials der Basisschicht ist. Beispielsweise kann, wie in der oben erwähnten gleichzeitig anhängigen Anmeldung beschrieben, Yttriumoxyd entsprechend ungeradzahligen Vielfachen einer Viertelwellenlänge über der Basis 12 vorgesehen sein. Bei eine einzige Viertelwellenlängen-Dicke aufweisenden Beschichtungen aus Yttriumoxyd (Kurve 51) ist bei der Entwurfswellenlänge von 10um die prozentuale Refektivität im wesentlichen minimal und über einen verhältnismäßig breiten Wellenlängenbereich, etwa von 8 bis 12um, ist die prozentuale Reflektivität weniger als etwa 5%. Bei dickeren, ungeradzahligen Vielfachen einer Viertelwellenlänge entsprechenden Beschichtungen (Kurve 52, 3 λ/4 und Kurve 53, 5λ/4) aus Yttriumoxyd wird, obwohl der Grad des Schutzes des Materials erhöht ist, außerdem festgestellt, daß die prozentuale Reflektivität sich ebenfalls erhöht und wesentlich von der prozentualen Reflektivität der (λ/4) -dicken Beschichtung über den Bereich von 8 bis 12um abweicht. Dies ist in vielen Anwendungsfällen im allgemeinen unerwünscht.
Figur 6 zeigt die theoretische prozentuale Reflexion über das Band von 6um bis 12um hin für drei unterschiedlich zusammengesetzte Beschichtungen. Die Kurve 61 zeigt die prozentuale Reflexion für eine λ/2 dicke Zeriumoxydschicht (CeO&sub2;) als Schicht 14 und eine λ/4 dicke Schicht aus Yttriumoxyd (Y&sub2;O&sub3;) als Schicht 16. Für die Kurve 62 hat die Schicht 14 eine Dicke von 3λ/2 und die Schicht 16 aus Y&sub2;O&sub3; hat eine Dicke von für die Kurve 63 hat die Schicht 14 eine Dicke von 5λ/2 und die Schicht 16 aus Y&sub2;O&sub3; hat eine Dicke von λ/4. Die prozentuale Reflektivität ist etwa 7,5% über einen optischen Wellenlängenbereich von etwa 8um bis 12um hin, selbst für sehr dicke Schichten aus Zeroxyd. Es ist festzustellen, daß eine Welligkeit in der dargestellten prozentualen Reflektivität bei aufeinanderfolgend dickeren Beschichtungen entsprechend ungeradzahligen Vielfachen halber Wellenlängen aus CeO&sub2; für die Schicht 14 in Kombination mit einer einzigen λ/4-Beschichtung vorhanden ist. Diese Welligkeit um einen Mittelwert (nicht dargestellt) hat eine vorbestimmte Amplitude und eine vorbestimmte Frequenz. Die Amplitude der Welligkeit steht in Beziehung zu dem Grad der Fehlanpassung zwischen dem Brechungsindex des optischen Bauteils und dem Brechungsindex der Schutzschicht 14. Die Frequenz der Welligkeit (d.h., der Abstand zwischen den Scheiteln der Welle) steht in Beziehung zu der Dicke der Schicht, wobei dickere Schichten eine höhere Frequenz oder näher beieinanderliegende Scheitel der Wellen haben. Für ein Material mit einem Brechungsindex, der an den Brechungsindex des Materials des Substrates über den optischen Wellenlängenbereich von Interesse angepaßt ist, würde die Welle verschwinden und es wäre so gleichwertig mit der Zeroxydschicht in einer Dicke einer halben Wellenlänge, wie dargestellt. Darüberhinaus ist, wenn die Streuungen der Reflexionsindizes für die Materialien der Basis 12 und der Schutzschicht 14' als eine Funktion der Wellenlänge über ein Wellenlängenband angepaßt sind, die prozentuale Reflexion über dieses Wellenlängenband im wesentlichen dieselbe wie bei 10um. Unter Einsatz optischer Entwurfstechniken können die Dicken der Antireflexionsbeschichtung 16 und der Schutzschicht 14 oder 14' leicht von der Nominaldicke von einer Viertelwellenlänge und von einer halben Wellenlänge abweichend gewählt werden, um ein maximales Durchlaßband im Bereich zwischen 8 und 12um, beispielsweise, mit nur einer leichten Erhöhung der prozentualen Reflexion über diesen Bereich hin zu erzielen, wie etwa in Figur 7 dargestellt. In Figur 7 hat demgemäß die zusammengesetzte Zweischichtenstruktur die in der Tabelle V zusammengestellten Dicken. Tabelle V Kurve Dicke der Schicht Bandbreite
Nach der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung ist es nun für den Fachmann deutlich, daß andere Ausführungsformen, die deren Grundgedanken beinhalten, verwendet werden können.

Claims

1. Infrarotdurchlassiges optisches Bauteil mit einer Basis (12), die ein erstes Material mit einer ersten vorbestimmten optischen Infrarotdurchlässigkeit über einen vorbestimmten Bereich infraroter Wellenlängen und einen ersten vorbestimmten Elastizitätsmodul aufweist, gekennzeichnet durch eine zusammengesetzte Schicht (11), die auf der Basis (12) angeordnet ist und zu deren Schutz gegen Erosion durch Flüssigkeitstropfeneinschlag dient, mit:

einer ersten Schicht (14) aus einem zweiten, unterschiedlichen Material mit einem zweiten, höheren Elastizitätsmodul als demjenigen des ersten Materiales, wobei die genannte Schicht (14) eine optische Dicke von etwa (2N+1)λ/2 hat, worin λ eine Wellenlänge innerhalb des vorbestimmten Bereiches infraroter Wellenlängen des ersten Materials der Basis ist und N eine ganze Zahl bedeutet, und

einer zweiten Schicht (16) aus einem dritten, unterschiedlichen Material mit einem dritten Elastizitätsmodul, der größer ist als derjenige des ersten Materials, einem Brechungsindex bei der betreffenden Wellenlänge derart, daß eine Antireflextionskorrektur des infrarotdurchlässigen optischen Bauteils erziehlt wird, und einer optischen Dicke von etwa λ/4.

2. Optisches Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Material der Basis aus der Werkstoffgruppe gewählt ist, die aus Zinksulfid, Zinkselenid, Germanium, Galliumarsenid, Galliumphosphid, Quecksilber-kadmium-Tellurid, Kadmiumtellurid und einem ternären Sulfid gebildet ist, welches die allgemeine chemische Formel MLn&sub2;S&sub4; hat, worin M ein Kation aus der 2A-Gruppe der Elemente ist, Ln ein Kation der Lanthaniden-Seltenerden Elemnte ist und S ein Sulfid- Anion S²&supmin; ist.

3. Optisches Bauteil nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichent, daß das zweite Material der ersten Schicht (14) aus der Werkstoffgruppe gewählt ist, die aus hartem Kohlenstoff, Diamant und Zeroxid, Titanoxid, Zirkonoxid und Mischungen dieser Stoffe besteht.

4. Optisches Bauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte Material der zweiten Schicht (16) aus der Werkstoffgruppe gewählt ist, die aus Yttriumoxid, Scandiumoxid, Magnesiumoxid und Mischungen von Yittriumoxid, Scandiumoxid und Magnesiumoxid besteht.

5. Optisches Bauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Basis (12) aus der Werkstoffgruppe gewählt ist, die aus Zinksulfid und Zinkselenid besteht, wobei die Basis eine vorbestimmte optische Infrarotdurchlässigkeit über den Infrarot-Wellenlängenbereich von mindestens 8 um bis 12 um aufweist, daß das Material der ersten Schicht (14) ein Werkstoff ist, der aus der Werkstoffgruppe ausgewählt ist, die aus harten Kohlenstoff, Zeroxid, Titanoxid, Zirkonoxid und Mischungen dieser Stoffe besteht und daß das Material der zweiten Schicht (16) aus der Werkstoffgruppe gewählt ist, die aus Yittriumoxid, Scandiumoxid und Mischungen dieser Stoffe besteht, einschließlich Mischungen mit Magnesiumoxid.

6. Optisches Bauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (14) der zusammengesetzten Schicht (11) aus Zeroxid besteht und das die zweite Schicht (16) der zusammengesetzten Schicht (11) Yittriumoxid ist.

7. Optisches Bauteil nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Haftungsschicht (17), die auf der Basisschicht angeordnet ist und eine optische Dicke von etwa 1nm bis 100nm (10Å bis 1000Å) hat, und wobei die zusammengesetzte Schicht (11) über der Haftungsschicht (17) angeordnet ist.

8. Optisches Bauteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Haftungsschicht (17) aus Yittriumoxid besteht und daß die erste Schicht (14) eine harte Kohlenstoffschicht und die zweite Schicht (16) Yittriumoxid ist.

9. Verfahren zum Schutz eines infrarotdurchlässigen optischen Bauteils gegen Beschädigung durch Wassertröpfcheneinschlag, mit folgenden Verfahrensschritten:

Bereitstellen des optischen Bauteils (10) mit einer Basis (12), welche ein erstes Material mit einer ersten vorbestimmten optischen Infrarotdurchlässigkeit über einen bestimmten Bereich von Infrarotwellenlängen aufweist; Vorsehen einer ersten Schicht (14) aus einem zweiten Material mit einem zweiten größeren Elastizitätsmodul gegenuber dem Elastizitätsmodul des ersten Materials, wobei diese Schicht (14) eine optische Dicke von etwa (2N+1)λ/2 hat, worin λ eine Wellenlänge innerhalb des vorbestimmten Bereiches von Infrarotwellenlängen des ersten Materials der Basis ist und N eine ganze Zahl bedeutet; und

Vorsehen einer zweiten Schicht (16), welche ein drittes Material mit einem dritten größeren Elastizitätsmodul gegenuber dem Elastizitätsmodul des ersten Materials und einen Brechungsindex aufweist, der so gewählt ist, daß er eine Antireflextionskorrektur des optischen Bauteils bewirkt, und mit einer optischen Dicke von etwa λ/4.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Material der zusammengesetzten Schicht aus der Werkstoffgruppe gewählt ist, die aus hartem Kohlenstoff, Diamant, Zeroxid, Titanoxid, Zirkonoxid und Mischungen dieser Stoffe besteht.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte Material der zweiten Schicht auf der Werkstoffgruppe gewählt ist, die aus Yittriumoxid, Scandiumoxid, Magnesiumoxid und Mischungen dieser Stoffe besteht.

12. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Material der ersten Schicht aus der Werkstoffgruppe gewählt ist, die aus hartem Kohlenstoff und Zeroxid besteht und das das dritte Material der zweiten Schicht aus der Werkstoffgruppe gewählt ist, die aus Yittriumoxid und Scandiumoxid besteht und daß das Basismaterial aus der Werkstoffgruppe gewählt ist, die aus Zinksulfid, Zinkselenid, Germanium, Galliumarsenid, Galliumphosphid, Quecksilber- Kadmium-Tellurid und Kadmiumtellurid sowie einem ternären Sulfid besteht, welches die allgemeine chemische Formel MLn&sub2;S&sub4; hat, worin M ein Kation aus der 2A-Gruppe der Elemente ist, Ln ein Kation ist, das aud der Elementreihe der Lanthaniden-Seltenerden gewählt ist und S ein Sulfid-Anion S²&supmin; ist.