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Dokumentenidentifikation DE69932377T2 12.07.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0000950904
Titel Optisches Bauteil, gesinterter Zinksulfid-Presskörper und Herstellungsverfahren hierfür
Anmelder Sumitomo Electric Industries, Ltd., Osaka, JP
Erfinder Shibata, Kenichiro, 1-1-1 Koyakita, Itami-shi, Hyogo, JP
Vertreter HOFFMANN & EITLE, 81925 München
DE-Aktenzeichen 69932377
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 14.04.1999
EP-Aktenzeichen 991062530
EP-Offenlegungsdatum 20.10.1999
EP date of grant 19.07.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.07.2007
IPC-Hauptklasse G02B 1/02(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse C01G 9/08(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   G02B 1/10(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   G02B 13/14(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   C04B 35/547(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   
IPC additional class G01J 5/06  (2006.01)  A,  L,  N,  20051017,  B,  H,  EP

Beschreibung[de]
Hintergrund der Erfindung Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft optische Komponenten. Diese Erfindung betrifft eine optische Komponente, die sichtbares Licht abschirmt, das besonders im optischen Infrarotsystem einer Infrarot-Anwendungsanlage wie einem Infrarotsensor, thermischen Infrarot-Bildprozessor und einem Infrarotlaser verwendet wird, einen Sinterkompakt aus Zinksulfid und ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Beschreibung des Standes der Technik

Die Entwicklung einer neuen und hochfunktionalen Vorrichtung, die das ausgezeichnete Merkmal der Infrarotstrahlen anwendet, läuft ab. Als Anwendungen, die die Abtastfunktion anwenden, können Sicherheitssysteme unter Verwendung von Körpersensoren, Oberflächenthermometern, die die Oberflächentemperatur eines Objekts ohne Kontakt messen, Ressourcen-Sondensysteme, die die Ressourcenverteilung der Erde aus großer Höhe identifizieren, Vorrichtungen, die ein Objekt im Dunkeln ermitteln, und Gasanalysevorrichtungen aufgelistet werden. Thermische Infrarot-Bildprozessoren zum Verarbeiten von gesammelten Daten durch die obigen Vorrichtungen, Hochleistungslaserprozessoren unter Verwendung der Wärmeenergie von Infrarotstrahlen sind ebenfalls bekannt.

Entsprechend der Entwicklung solcher neuer hochfunktionalen Infrarot-Anwendungsanlagen liegen die Bedürfnisse bei höheren praktischen Merkmalen und niedrigen Kosten und werden für die Komponenten, die auf optische Funktionen gerichtet sind, die in den jeweiligen Anlagen verwendet werden, kritisch, wie Fensterteil, Linsenteil und dgl.

Als solche optische Komponenten sind das konventionelle Einkristall-Germanium (GE), Polykristalle aus Zinkselenid (ZnSe) und Zinksulfid (ZnS) durch chemischen Dampfniederschlag (CVD) und Infrarot transmittierendes Glas, einschließlich Arsen (As) und Seren (Se) als optische Materialien bekannt, die den Wellenlängenbereich von 8–12 &mgr;m erfüllen. Die Entwicklung für die praktische Verwendung läuft nun auf der Basis der ausgezeichneten Infrarot-Transmissionseigenschaften ab.

GE ist aufgrund der Ressourcenbeschränkung extrem teuer. ZnS und ZnSe, die durch CVD erzeugt sind, haben Probleme im Hinblick auf die Umgebung und die Erzeugung, weil toxisches Gas während der Produktionsstufe verwendet wird und die Niederschlagsrate von Dampf niedrig ist. Es ist schwierig, die Kosten davon zu reduzieren. Weiterhin umfasst das infrarotdurchlässige Glas toxische Komponenten wie As und Se, wodurch Umweltprobleme verursacht werden. Daher werden die oben genannten Materialien gegenwärtig nur in begrenzten Anwendungen wie für Militärverwendung, kleine optische Komponenten, Kohlendioxidgas-Laser und dgl. verwendet.

Es gibt intensive Bemühungen, ein Material mit hoher Transmissionsfähigkeit in dem breiten Infrarotbereich zu finden und zu erzeugen, wobei die Umwelt und die Produktivität berücksichtigt werden. Insbesondere gab es bezüglich ZnS viele Untersuchungen, weil es keine toxischen Elemente umfasst. Die Forschung und Entwicklung eines Sinterkompaktes (Polykristall) in dieser Hinsicht läuft mit Hilfe des Heißpressens, Eliminieren der Verwendung von toxischen Gasen als Material bei der Produktionsstufe ab.

Die japanische Patentveröffentlichung 41-412 offenbart ein Verfahren zur Erzeugung eines polykristallinen ZnS-Sinterkompaktes mit der theoretischen Dichte von 99–100% mit Hilfe von Heißpressen von ZnS-Pulver im Vakuum oder einem Inertgas bei einem Druck von 1,4–2,9 t/cm2 und einer Temperatur von 770–965°C. Diese Veröffentlichung offenbart, dass ein Sinterkompakt mit verschiedenen Formen wie der Form einer Haube, Linse und dgl. durch dieses Verfahren erhalten wird. Es wird festgestellt, dass die Transmission einer Probe mit einer Dicke von 1,6 mm einen hohen Wert von mehr als 60% im breiten Infrarotbereich von 2–6 &mgr;m entfaltet.

Das offengelegte japanische Patent 50-2006 offenbart ein Verfahren für den Erhalt eines lichtdurchlässigen ZnS-Polykristalls durch Geben eines Formstücks nur aus Zns-Pulver oder aus einem Mischungspulver davon mit einem Alkalimetallhalogenid in eine Form und Anwendung eines Heißpressverfahrens bei einem Druck von 50–500 kg/cm2 und einer Temperatur von 600–1.500°C für wenigstens 5 Minuten. Beispiel 1 davon offenbart die Schritte, dass ein ZnS-Pulver, das ein Stück bildet, in eine Graphit-Druckform angeordnet, dieses bei einem Vakuum von nicht mehr als 10–3 Torr, einem Druck von 0,2 t/cm2 und einer Temperatur von 1.000°C 30 Minuten heiß gepresst und dann die Platte auf einen Durchmesser von 50 mm und eine Dicke von 3 mm poliert wird. Die Lichttransmission bis zu einer Wellenlänge von 2,5 &mgr;m dieser Platte ist in 1 des offengelegten japanischen Patents 50-2006 offenbart. Aufgrund dieser 1 ist ersichtlich, dass die Transmission 4–18% beim sichtbaren Lichtbereich (Wellenlänge 0,4–0,8 &mgr;m) und 19% bei der Wellenlänge von 2,5 &mgr;m im nahen Infrarotbereich ist. Es wird daher überlegt, dass eine Probe mit einer Dicke von 2 mm eine höhere Lichttransmission entfalten kann.

Auf den Seiten 2086-2092 von „Journal of the American Ceramic Society" Bd. 76, Nr. 8 wird ein ZnS-Polykristall angegeben, erhalten unter Verwendung von ZnS-Material-Pulver mit einer Korngrößenverteilungsbreite von 2-4 &mgr;m und einer durchschnittlichen Korngröße von 2 &mgr;m und einer Reinheit von 99,99% und durch Auferlegen von verschiedenen uniaxialen Drücken (bei Tabelle 1 dieses Dokuments 137–207 MPa, d.h. 1,4–2,1 t/cm2) in einem Vakuum von etwa 5 × 10–2 Torr bei 950°C für 40–50 Minuten in einer uniaxialen Heißpressanlage des Graphitheizersystems auf das Pulver. Eine verfestigte ZnS-Polykristallscheibe mit einem Durchmesser von 12,7 mm hat eine Dichte von ungefähr 99,6–99,8% entsprechend der theoretischen Röntgendichte gemäß Tabelle 1 dieses Dokuments. Die Infrarottransmissionsfähigkeit ist ungefähr 40–70% für Infrarotstrahlen mit einer Wellenlänge von 2,5–3 &mgr;m gemäß 1 dieses Dokuments.

3 dieses Dokuments offenbart die berechneten Werte der Infrarottransmission für eine Probenscheibe mit einer Dicke von 2 mm unter der Annahme verschiedener Porositätswerte von 0,01–1% einer Pore mit einem Durchmesser von 0,3 &mgr;m. Gemäß 3 ist die Lichttransmission der Probenscheibe mit der Porosität von 0,5% 0% bei einer Wellenlänge von 2,5-3 &mgr;m und ungefähr 40–60% bei einer Wellenlänge von 8–10 &mgr;m. Unter der Annahme, dass die Porosität 0,05% ist, ist die Lichttransmission ungefähr 15–25% bei der Wellenlänge von 2,5-3 &mgr;m und ungefähr 70% bei der Wellenlänge von 8–10 &mgr;m. Dieses Dokument offenbart, dass die Porosität weniger als 0,01% von den berechneten Werten sein muss, um diese Art von polykristallinem Zinksulfid für ein Durchgangsfenster von Infrarotstrahlen zu verwenden. Es wird ebenfalls erwähnt, dass ein solcher Polykristall mit dem gleichen Porositätsgrad nicht leicht durch das allgemeine Sintern oder Heißpressverfahren erzeugt werden kann.

Die japanische Patentveröffentlichung 1-55213 offenbart einen polykristallinen ZnS-Sinterkompakt mit einer Transmission von wenigstens 30% in der Fläche mit einer Dicke von 3 mm beim Infrarotbereich mit einer Wellenlänge von 1–14 &mgr;m durch Heißpressen von ZnS-Pulver mit hoher Verunreinigung, wobei die Korngröße nicht mehr als 5 &mgr;m ist, im Vakuum bei einem Druck von 0,8–1,4 t/cm2 und einer Temperatur von 800–1.050°C. Typische Transmissionswerte eines polykristallinen ZnS-Sinterkompaktes, der in dieser Veröffentlichung offenbart ist, sind in den 1 und 2 gezeigt. Die Probe von

1 hat eine ausgezeichnete Transmissionsfähigkeit beim Wellenlängenbereich von 8–12 &mgr;m. Es ist ebenfalls zu entnehmen, dass die Probe von 2 eine ausgezeichnete Transmission beim Wellenlängenbereich von 2,5-3 &mgr;m im Vergleich zu der von 1 hat.

Die Infrarot-Sensortechnologie, die in Kombination mit den obigen konventionellen optischen Infrarotkomponenten verwendet wird, hat in diesen wenigen Jahren einen signifikanten Fortschritt gemacht. Der konventionelle Infrarotsensor verwendet das Material vom HgCdTe-Typ, das zum Wellenlängenbereich von 10 &mgr;m orientiert ist. Es war notwendig, einen solchen konventionellen Infrarotsensor auf eine niedrige Arbeitstemperatur unter Verwendung von flüssigem Stickstoff und dgl. abzukühlen. Nicht gekühlte Infrarotsensoren führten zum Detektor vom Bolometertyp, pyroelektrischen Typ, Thermofühlertyp und dgl.

Diese ungekühlten Infrarotsensoren haben eine Empfindlichkeit für einen breiteren Wellenlängenbereich als der konventionelle gekühlte Sensor. Beispielsweise ist er empfindlich für Strahlen mit einem breiteren Wellenlängenbereich vom sichtbaren Licht bis zu Infrarotstrahlen. Daher fühlt der nicht gekühlte Infrarotsensor Infrarotstrahlen mit einer Wellenlänge von weniger als 5 &mgr;m bis zu nahen Infrarotstrahlen mit einer Wellenlänge von nicht mehr als 3 &mgr;m und ebenso sichtbares Licht mit einer Wellenlänge von 0,4–0,8 &mgr;m zusätzlich zu den Infrarotstrahlen von 8–12 &mgr;m, was essentiell für das Abtasten des Körpers erforderlich ist, und reagiert auf diese. Diese Empfindlichkeit induziert das Problem des fehlerhaften Vorgangs und Abtastpräzisionsfehler.

Es ist notwendig, Licht des kurzen Wellenlängenbereichs, das der Grund von Rauschen ist, insbesondere sichtbares Licht, abzuschneiden, um dieses Problem zu lösen. Dies war mit der konventionellen optischen Komponente unmöglich, die eine konstante Transmission beim oben genannten breiten Wellenlängenbereich entfaltet. Daher wurden Maßnahmen ergriffen, wie das Vorsehen eines Filters, der beispielsweise das sichtbare Licht abschneidet. Weil dies die Kosten erhöht, ist es gewünscht, eine selektive Lichttransmission beim optischen Komponentenmaterial per se anzuwenden, das als Fensterteil und dgl. dient.

Zusammenfassung der Erfindung

Angesichts dessen liegt das Ziel dieser Erfindung darin, Zinksulfid (ZnS), das verhältnismäßig ökonomisch ohne jegliches toxische Element erzeugt werden kann, signifikant die Transmission von sichtbarem Licht und Infrarotstrahlen mit einer Wellenlänge von nicht mehr als 3 &mgr;m reduziert, die das Rauschen für einen nicht gekühlten Infrarotsensor darstellen, das eine hohe Transmission für Infrarotstrahlen im Wellenlängenbereich von 8–12 &mgr;m aufweist und sichtbares Licht abschirmt, eine optische Komponente, die in verschiedenen Infrarotdetektoranlagen verwendet wird, ein Verfahren zu deren Herstellung und eine Infrarotdetektoranlage mit einer solchen optischen Komponente anzugeben.

Ein Zinksulfid-Sinterkompakt gemäß dieser Erfindung ist in Anspruch 1 definiert. Eine optische Komponente gemäß einem Aspekt dieser Erfindung umfasst den Zinksulfid-Sinterkompakt nach Anspruch 1 und ist in Anspruch 4 definiert.

Eine Infrarot-Anwendungsanlage gemäß einem anderen Aspekt dieser Erfindung umfasst eine optische Komponente der oben beschriebenen Struktur.

Gemäß einem weiteren Aspekt dieser Erfindung ist ein Verfahren zur Erzeugung einer optischen Komponente mit einem Zinksulfid-Sinterkompakt in Anspruch 9 definiert und umfasst die Schritte der Herstellung von Zinksulfidpulver mit einer Reinheit von wenigstens 98%, mit einer durchschnittlichen Korngröße von wenigstens 1 &mgr;m und nicht mehr als 2 &mgr;m und das Heißkompressionsformen des Zinksulfidpulvers in einer nicht-oxidativen Atmosphäre bei einer Temperatur von wenigstens 900°C und nicht mehr als 1.000°C und einem Druck von wenigstens 150 kg/cm2 und nicht mehr als 800 kg/cm2, unter Erhalt eines Zinksulfid-Sinterkompaktes.

Bevorzugt umfasst das Verfahren zur Herstellung einer optischen Komponente weiterhin den Schritt des optischen Polierees und Bearbeitens der Oberfläche des Zinksulfid-Sinterkompaktes.

Weiter bevorzugt umfasst das Verfahren zur Herstellung einer optischen Komponente weiterhin den Schritt der Bildung eines Antireflexions-Beschichtungsfilms entsprechend dem Wellenlängenbereich von 8–12 &mgr;m auf der Oberfläche des optisch polierten Zinksulfid-Sinterkompaktes.

Gemäß einem weiteren Aspekt dieser Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Zinksulfid-Sinterkompaktes in Anspruch 12 definiert und umfasst die Schritte der Herstellung von Zinksulfidpulver mit einer Reinheit von wenigstens 98% und mit einer durchschnittlichen Korngröße von wenigstens 1 &mgr;m und nicht mehr als 2 &mgr;m und Heißkompressionsformen des Zinksulfidpulvers in einer nicht-oxidativen Atmosphäre bei einer Temperatur von wenigstens 900°C und nicht mehr als 1.000°C und einem Druck von wenigstens 150 kg/cm2 und nicht mehr als 800 kg/cm2, unter Erhalt eines Zinksulfid-Sinterkompaktes.

Gemäß dieser Erfindung kann eine optische Infrarotkomponente, die sichtbares Licht abschirmt, umfassend einen Zinksulfid-Sinterkompakt, der verhältnismäßig ökonomisch erzeugt werden kann und keine toxischen Elemente enthält, zur Verfügung gestellt werden. Die optische Komponente entfaltet eine ausgezeichnete Infrarottransmission bei einem Wellenlängenbereich von 8–12 &mgr;m und hat eine extrem niedrige Transmission des sichtbaren Lichtes und von Strahlen im Wellenlängenbereich von 2,5-3 &mgr;m, ist als Fensterteil oder Linsenteil eines nicht gekühlten Infrarotsensors geeignet. Die optische Infrarotkomponente kann eine weitere vorteilhafte Infrarotdurchlässigkeit erreichen, indem sie einen Antireflexions-Beschichtungsfilm aufweist, der dem Wellenlängenbereich von 8–12 &mgr;m entspricht, der auf der Oberfläche gebildet ist.

Die Verwendung der optischen Komponente dieser Erfindung als Fensterteil und Linsenteil eines nicht gekühlten Infrarotsensors gibt die Vorteile der Verminderung des Rauschens, das durch sichtbares Licht und nahe Infrarotstrahlen verursacht wird, und zwar durch die Fähigkeit, sichtbares Licht abzuschirmen. Eine Infrarot-Anwendungsanlage, die eine verminderte Strukturkomplexität und Kosten aufweist, kann erhalten werden, wobei das Bedürfnis eines optischen Filters wie eines Bandfilters eliminiert wird.

Die genannten und andere Ziele, Merkmale, Aspekte und Vorteile dieser Erfindung werden aufgrund der folgenden Beschreibung zusammen mit der beigefügten Zeichnung deutlicher.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

1 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Wellenlänge und Transmission eines konventionellen repräsentativen, Infrarot durchlassenden, polykristallinen ZnS-Sinterkompaktes zeigt.

2 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Wellenlänge und Transmission eines anderen konventionellen Infrarot durchlassenden, polykristallinen ZnS-Sinterkompaktes zeigt.

3 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Wellenlänge und Transmission eines polykristallinen ZnS-Sinterkompaktes dieser Erfindung zeigt, der sichtbares Licht abschirmt.

4 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Wellenlänge und Transmission eines anderen polykristallinen ZnS-Sinterkompaktes dieser Erfindung zeigt, der sichtbares Licht abschirmt.

5 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Wellenlänge und Transmission eines weiteren polykristallinen ZnS-Sinterkompaktes dieser Erfindung zeigt, der sichtbares Licht abschirmt.

6 ist eine schematische Teilansicht eines nicht gekühlten Infrarotsensors, der mit einem Fensterteil aus einem polykristallinen ZnS-Sinterkompakt dieser Erfindung, der sichtbares Licht abschirmt, verbunden ist.

7 ist eine schematische Schnittansicht eines ungekühlten Infrarotsensors, der mit einem Linsenteil aus einem polykristallinen ZnS-Sinterkompakt dieser Erfindung verbunden ist, der sichtbares Licht abschirmt.

8 ist eine SEM-Fotografie einer typischen gebrochenen Oberfläche eines polykristallinen ZnS-Sinterkompaktes dieser Erfindung, der sichtbares Licht abschirmt.

Beschreibung der bevorzugten Merkmale

Eine optische Komponente dieser Erfindung wird aus einem polykristallinen Zinksulfid-Sinterkompakt mit ausgezeichneter Lichttransmission bei einem Wellenlängenbereich von 8–12 &mgr;m gebildet, dessen Transmission des sichtbaren Lichtes und Infrarotlichtes mit einer Wellenlänge von nicht mehr als 3 &mgr;m signifikant reduziert ist, die das Rauschen für einen nicht gekühlten Infrarotsensor verursachen.

Die Transmission der optischen polykristallinen Zinksulfidkomponente dieser Erfindung hat einen Wert von 0–3%, gewünscht nicht mehr als 1% für Licht im sichtbaren Lichtbereich (0,4–0,8 &mgr;m) und ebenfalls 0–20%, gewünscht nicht mehr als 10% für nahe Infrarotstrahlen im Wellenlängenbereich von 2,5-3 &mgr;m, wenn die Dicke 2 mm ist. Die Transmission beim Wellenlängenbereich von 8–12 &mgr;m ist 30–75%, wenn die Oberfläche poliert ist und ist ebenfalls 50–90%, gewünscht wenigstens 70%, wenn der Antireflexions-Beschichtungsfilm auf der Oberfläche gebildet ist.

Erfindungsgemäß bedeutet „Transmission" die lineare Transmission, gemessen durch FTIR (Fourier Transform Infrarot) oder einen Doppelstrahltyp-Spektrofotometer.

Der polykristalline Zinksulfid-Sinterkompakt, der die optische Komponente dieser Erfindung bildet, hat wünschenswert eine Porosität von 0,1–1,0%. Wenn die Porosität weniger als 0,1% ist, ist die Streuwirkung des sichtbaren Lichts und des nahen Infrarotbereichs aufgrund der kleinen Poren niedrig. Es gibt die Möglichkeit, dass die Transmission 3% übersteigt mit der unzureichenden Abschirmfähigkeit von sichtbarem Licht. Wenn die Porosität 1,0% übersteigt, wird die Lichtstreuung durch die Pore bei dem breiten Wellenlängenbereich groß. Daher wird die Transmission bei der Wellenlänge von 8–12 &mgr;m weniger als 30% ohne einen Antireflexions-Beschichtungsfilm und weniger als 50% selbst mit einem Antireflexions-Beschichtungsfilm. Die Transmission, die für die praktische Verwendung einer optischen Komponente erforderlich ist, kann nicht erzielt werden. Der weiter bevorzugte Porositätsbereich ist 0,1–0,7%. Die Porosität wird durch Messen des Gewichts unter Wasser und des Gewichts an Luft, Berechnen der Dichte durch das Archimedische Verfahren und Vergleichen mit der theoretischen Dichte (4,097 g/cm3) durch Röntgenmessung berechnet.

Die durchschnittliche Porengröße des Zinksulfid-Sinterkompaktes ist wünschenswert nicht mehr als 0,2 &mgr;m. Wenn die durchschnittliche Porengröße 0,2 &mgr;m übersteigt, wird die Intensität des gestreuten Lichtes, das durch die Poren verursacht wird, so groß bei dem breiten Wellenlängenbereich, dass die gewünschte Transmission bei 8–12 &mgr;m Wellenlänge nicht erzielt werden kann. Die durchschnittliche Porengröße wird durch Lesen der jeweiligen Porengrößen von der SEM (Elektronenabtastmikroskop)-Fotografie der gebrochenen Oberfläche des Sinterkompaktes und Mitteln der jeweiligen Werte der Porengröße berechnet.

Die durchschnittliche Kristallkorngröße des polykristallinen Zinksulfid-Sinterkompaktes liegt bevorzugt im Bereich von 2–50 &mgr;m. Wenn die durchschnittliche Kristallkorngröße weniger als 2 &mgr;m ist, wird die Kristallkorngrenze so groß, dass eine übermäßige Lichtstreuung resultiert, die durch die Korngrenze verursacht wird. Es gibt die Möglichkeit, dass die gewünschte Transmission bei der Wellenlänge von 8–12 &mgr;m nicht erhalten werden kann. Wenn die Korngröße 50 &mgr;m übersteigt, wird die mechanische Stärke durch den groben Kristall abgebaut. Dies kann nicht bei der Anwendung eines Fensterteils und dgl. verwendet werden, wenn eine Stärke erforderlich ist. Die weiterhin bevorzugte durchschnittliche Kristallkorngröße liegt innerhalb des Bereichs von 2–10 &mgr;m.

Drei typische polykristalline Zinksulfid-Sinterkompakte (Dicke 2 mm), die in der optischen Infrarotkomponente dieser Erfindung verwendet werden, haben eine Transmission des sichtbaren Lichtes und der Infrarotstrahlen, wie sie in den 35 gezeigt ist. Die folgende Tabelle 1 fasst die Transmission der jeweiligen Wellenlängenbereiche entsprechend den Daten der 35 zusammen. Erfindungsgemäße Materialien 13 entsprechen den Proben 1–3 in den jeweiligen Beispielen, die nachfolgend beschrieben werden.

Zum Vergleich sind die jeweiligen Transmissionen von konventionellen polykristallinen Zinksulfid-Sinterkompakten als konventionelles Material 1 (1 der japanischen Patentveröffentlichung 1-55213), konventionelles Material 2 (2 der gleichen Veröffentlichung), konventionelles Material 3 (1 des offen gelegten japanischen Patents 50-2006) und konventionelles Material 4 (1 von „Journal of the American Ceramic Society, Bd. 76, Nr. 8) auf der Grundlage der Beschreibung dieser Dokumente zeigt.

Tabelle 1 Gemessene Wellenlänge (&mgr;m) und Transmission (%)

Aufgrund von Tabelle 1 ist ersichtlich, dass der polykristalline Zinksulfid-Sinterkompakt dieser Erfindung die Durchlässigkeit von ungefähr 0 für sichtbares Licht und eine signifikant reduzierte Transmission für nahe Infrarotstrahlen mit einer Wellenlänge von 2,5-3 &mgr;m aufweist. Es ist ebenso ersichtlich, dass die Transmission der Infrarotstrahlen von 8–12 &mgr;m, was der erforderliche Wellenlängenbereich ist, einen Wert aufweist, der für die praktische Verwendung für einen Infrarotsensor und dgl. ausreichend ist. Ein Antireflexions-Beschichtungsfilm, der eine Reflexion etwa beim Wellenlängenbereich von 8–12 &mgr;m verhindert, kann, falls erforderlich, angewandt werden, zur weiteren Verbesserung der Transmission bei diesem Wellenlängenbereich.

Durch Verwendung des Zinksulfid-Sinterkompaktes, der sichtbares Licht abschirmt und eine selektive Lichttransmission aufweist, als optische Komponente eines Fenster- oder Linsenteils einer Infrarot-Anwendungsanlage wie einem Infrarotsensor, kann das Vorsehen eines Bandfilters, der sichtbares Licht abschneidet, weggelassen werden, wodurch die Strukturkomplexität und die Kosten des Systems vermindert werden können. Nicht gekühlte Infrarot-Detektoranlagen 100 und 200 unter Verwendung einer solchen optischen ZnS-Infrarotkomponente, die sichtbares Licht abschirmt, sind in den 6 bzw. 7 gezeigt. 6 entspricht dem Fall, bei dem eine optische ZnS-Infrarotkomponente als Fensterteil 2 in einem nicht gekühlten Infrarotsensorelement 1 verwendet wird. 7 entspricht dem Fall, bei dem eine optische ZnS-Infrarotkomponente als Linsenteil 3 verwendet wird. Infrarot-Detektoranlagen 100 und 200 gemäß den 6 und 7 umfassen einen elektronischen Schaltbereich 4.

Ein Verfahren zur Herstellung einer optischen Komponente aus einem polykristallinen Zinksulfid-Sinterkompakt, der sichtbares Licht abschirmt, gemäß dieser Erfindung wird nachfolgend beschrieben. Als ZnS-Materialpulver wird Pulver mit einer durchschnittlichen Korngröße von 1–2 &mgr;m und einer Reinheit von wenigstens 98% verwendet. Es ist schwierig, die Transmission des sichtbaren Lichtes mit grobem Pulver mit einer durchschnittlichen Korngröße (gemessen durch Fsss (Fisher Sub-Sieve Sizer)) von mehr als 2 &mgr;m einzustellen. Weil das Sintern mit grobem Pulver nicht gleichmäßig abläuft, gibt es eine Tendenz einer größeren Restporosität. Als Ergebnis kann die gewünschte Infrarottransmission nicht erhalten werden. ZnS-Pulver, das eine durchschnittliche Korngröße von kleiner als 1 &mgr;m aufweist, kann nicht leicht erzeugt werden. Ebenso werden die Kosten davon erhöht.

Das Material des ZnS-Pulvers umfasst häufig Feuchtigkeit, Schwefelsäurekomponente, Schwefelkomponente und dgl. als Verunreinigungskomponenten in der Stufe der Erzeugung des Ausgangsmaterialpulvers. Die Gesamtmenge dieser Verunreinigungen liegt im Allgemeinen bei etwa 2 Gew.-%. Es wurde festgestellt, dass diese Verunreinigungskomponenten während der Erhöhung der Temperatur von 900°C während des Sintervorgangs verdampft und entfernt werden. Durch Verwendung von Ausgangsmaterialpulver mit einer Reinheit von wenigstens 98% umfasst der resultierende polykristalline Zinksulfid-Sinterkompakt zumindest 99,9 Gew% ZnS ohne Verwendung von Additiven.

Ein polykristalliner Zinksulfid-Sinterkompakt wird durch Heißkompressionsformen des ZnS-Materialpulvers in einer nicht-oxidativen Atmosphäre gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren erhalten. Als nicht-oxidative Atmosphäre ist Vakuum oder Inertgas wie Ar (Argon) bevorzugt. Eine oxidative Atmosphäre oder die Atmosphäre ist nicht bevorzugt, weil die Oxidation von ZnS auftritt, wodurch ZnO von der Oberfläche des Pulvers erzeugt wird, was nachteilig die Lichttransmission beeinflusst. Die Oxidation von ZnS tritt im Vakuum oder einem Inertgas nicht leicht auf. Ebenso werden die Verdampfung und Entfernung der oben erwähnten Verunreinigungskomponenten im Materialpulver erleichtert, wodurch eine vorteilhafte Transmission ermöglicht wird. Ein hohes Vakuum ist nicht unbedingt erforderlich. Im Allgemeinen sind ungefähr 10–2 Torr ausreichend, was durch die allgemeine Rotationspumpe erzielt wird.

Die angemessenen Temperatur- und Druckbedingungen für das Heißkompressionsformverfahren sind 900–1.000°C und 150–800 kg/cm2. Wenn die Sintertemperatur weniger als 900°C ist, kann kein ausreichendes Sintern erzielt werden, wodurch die erforderliche Infrarottransmission nicht erhalten werden kann. Weil die Deformation des Pulvers unzureichend ist, wenn die Temperatur unterhalb von 900°C liegt, kann eine Kompaktheit nicht erzielt werden und die Restporosität wird übermäßig. Demzufolge wird die Transmission durch Lichtstreuung abgebaut. Wenn die Sintertemperatur 1.000°C übersteigt, wird die Sublimation von dem ZnS-Pulver selbst so intensiv, dass die Ausbeute vermindert wird. Der Sinterofen, die Vakuumsystemanlage und dgl. werden leicht zerstört.

Weiterhin wächst die Kristallkorngröße des ZnS-Sinterkompaktes auf mehr als 50 &mgr;m. Die mechanische Stärke des Sinterkompaktes wird vermindert, wodurch dessen Verwendung als optische Komponente beschränkt wird.

Wenn der Druck unterhalb von 150 kg/cm2 ist, kann ein ausreichendes Sintern nicht erzielt werden, wie dann, wenn die Temperatur unterhalb von 900°C liegt. Als Ergebnis kann die notwendige Infrarottransmission nicht erzielt werden. Wenn der Druck höher als 800 kg/cm2 wird, wird die restliche Porosität so klein, dass die Transmission von sichtbarem Licht und Infrarotstrahlen bei 2,5-3 &mgr;m sich erhöht, wodurch sie gleich wird wie bei dem konventionellen Zinksulfid-Sinterkompakt. Dies bedeutet, dass die gewünschte Abschirmfähigkeit des sichtbaren Lichts dieser Erfindung nicht erzielt werden kann. Die Zeit zum Aufrechterhalten des Drucks ist im Schnitt 0,5–1,0 Stunden. Die Zeit wird zusammen mit der Kombination der Temperatur- und Druckbedingungen eingestellt, unter Erhalt der erforderlichen Abschirmleistung des sichtbaren Lichts.

Obwohl es nicht erforderlich ist, das Material der Form zum Heißkompressionsformen besonders einzuschränken, ist eine Alumina-Keramikform, die schlecht für antithermischen Schock ist, nicht bevorzugt. Eine Form vom Kohlenstofftyp-Material wie Graphit, C/C-Komposit und dgl. ist angemessen entsprechend dem Bereich der Bedingungen dieser Erfindung. Obwohl ein uniaxialer Druck für das Heißkompressionsformen angewandt werden kann, kann HIP (heißes isostatisches Pressen) unter Verwendung eines Gases im wesentlichen ähnliche Wirkungen ergeben.

Der polykristalline Zinksulfid-Sinterkompakt, der durch das oben beschriebene Heißkompressionsformen erhalten wird, hat eine Porosität im Bereich von 0,1–1,0%, wenn die theoretische Dichte von ZnS als 4,097 g/cm3 berechnet wird. Durch Steuern der restlichen Porosität können die Lichttransmission und die Wirkung beim Streuen gesteuert werden. Durch Einstellen der Porosität auf 0,1–1,0% wird die Lichtstreuung der kurzen Wellenlänge gefördert, unter Ermöglichung der Abschirmung von sichtbarem Licht im Bereich von 0,4–0,8 &mgr;m und Verminderung der Transmission der nahen Infrarotstrahlen bei 2,5-3 &mgr;m.

Eine SEM-Fotografie einer gebrochenen Oberfläche des polykristallinen Zinksulfid-Sinterkompaktes, der sichtbares Licht abschirmt, mit einer angemessenen Porosität ist in 8 gezeigt. Es ist ersichtlich, dass die durchschnittliche Kristallkorngröße ungefähr 2–3 &mgr;m und der Durchmesser der schwarzen Pore darin ungefähr 0,2–0,1 &mgr;m für den Sinterkompakt sind. Es wurde festgestellt, dass die durchschnittliche Kristallkorngröße auf ungefähr 50 &mgr;m bei der oben beschriebenen hohen Temperatur der Sinterbedingung wachsen kann.

Beispiel

ZnS-Pulver mit einer Reinheit von 99,8% und mit einer durchschnittlichen Korngröße von 1,2 &mgr;m, 1,5 &mgr;m und 2 &mgr;m, gemessen durch „Fisher sub-sieve sizer" als Materialpulver wurden hergestellt. Jedes ZnS-Pulver wurde in eine Heißkompressionsform aus Graphit oder C/C-Komposit mit einem Innendurchmesser von 80 mm gegeben. Zwei Arten der Sinteratmosphäre wurden ausgewählt, d.h. Erhöhen der Temperatur in der Atmosphäre von 10–2 Torr im Vakuum und Einfügen von Ar-Gas bei 900°C und Sintern im Vakuum. Dann wurde das Sintern durch das Heißkompressionsformen unter den Sinterbedingungen gemäß Tabelle 2 durchgeführt.

Tabelle 2

Jeder erhaltene polykristalline ZnS-Sinterkompakt wurde in eine vorbestimmte Form durch ein Schneidverfahren und dgl. geschnitten und dann gemahlen. Unter Verwendung von Aluminiumoxidpulver mit einer Korngröße von 0,5 &mgr;m wurden beide Oberflächen eines jeden Kompaktes optisch als jeweilige optische Komponenten poliert. Die Transmission der Infrarotstrahlen wurde unter Verwendung einer FTIR (Fourier Transform Infrarot)-Messanlage für jede Probe (Dicke 2 mm) der optischen Komponente gemessen. Ebenso wurde die Transmission des sichtbaren Lichts unter Verwendung eines sichtbaren Ultraviolett-Doppelstrahl-Spektrofotometers gemessen. Die Transmission bei den Wellenlängen von 0,4 &mgr;m, 0,8 &mgr;m, 2,5 &mgr;m, 3 &mgr;m, 8 um und 12 &mgr;m ist für jede Probe in der folgenden Tabelle 3 gezeigt. Die Porosität wurde durch Messen des spezifischen Gewichts durch das „Unterwasserverfahren" berechnet und ist in Tabelle 3 gezeigt.

Tabelle 3

Die erhaltenen Ergebnisse gemäß SEM der gebrochenen Oberfläche der Probe 1 sind in 8 gezeigt. Die Porengröße war 0,1–0,2 &mgr;m und die durchschnittliche Kristallkorngröße war 2–3 &mgr;m. Obwohl die Porengröße im wesentlichen gleich für andere Proben war, gab es einige, die eine durchschnittliche Kristallkorngröße von mehreren 10 &mgr;m hatten, und dies wurde bei der Sintertemperatur von 975°C gesehen.

Dann wurde ein Vielschicht-Antireflexions-Beschichtungsfilm aus MgF2, YF3, CeF3 und Al2O3 auf der Oberfläche der optischen Komponente eines jeden polykristallinen ZnS-Sinterkompaktes gebildet, unter Erhalt einer gesamten Filmdicke von 2 &mgr;m. Die Infrarottransmission wurde wie oben für jede erhaltene Probe der optischen Komponente gemessen. Alle Proben entfalteten eine hohe Lichttransmission von wenigstens ungefähr 60% bei der Wellenlänge von 10 &mgr;m. Es wurde festgestellt, dass sie als Fensterteil für einen nicht gekühlten Infrarotsensor sehr geeignet waren.


Anspruch[de]
Sinterkompakt aus Zinksulfid mit einer Porosität von wenigstens 0,1 % und nicht mehr als 1,0 %, einer durchschnittlichen Porengröße von nicht mehr als 0,2 &mgr;m und einer durchschnittlichen Kristallkorngröße von wenigstens 2 &mgr;m und nicht mehr als 50 &mgr;m und mit einem Lichttransmissionsvermögen von wenigstens 0 % und nicht mehr als 3 % bei einem Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts, zumindest 0 % und nicht mehr als 20 % bei einem Wellenlängenbereich von 2,5 bis 3 &mgr;m und zumindest 30 % und nicht mehr als 75 % bei einem Wellenlängenbereich von 8 bis 12 &mgr;m, wenn die Dicke des Sinterkompaktes aus Zinksulfid 2 mm ist. Sinterkompakt aus Zinksulfid nach Anspruch 1 mit einer Porosität von wenigstens 0,1 % und nicht mehr als 0,7 %. Sinterkompakt aus Zinksulfid nach Anspruch 1 mit einer durchschnittlichen Kristallkorngröße von wenigstens 2 &mgr;m und nicht mehr als 10 &mgr;m. Optische Komponente (2; 3), umfassend einen Sinterkompakt aus Zinksulfid, der wie in einem der Ansprüche 1 bis 3 definiert ist. Optische Komponente (2; 3) gemäß Anspruch 4, weiterhin umfassend einen Antireflexions-Beschichtungsfilm, der auf einer Oberfläche des Sinterkompaktes aus Zinksulfid gebildet ist, mit einem Lichttransmissionsvermögen von wenigstens 50 % und nicht mehr als 90 % bei einem Wellenlängenbereich von 8 bis 12 &mgr;m, wenn die Dicke des Sinterkompaktes aus Zinksulfid 2 mm ist. Optische Komponente nach Anspruch 4, wobei die optische Komponente ein Fensterteil (2) umfasst. Optische Komponente nach Anspruch 4, wobei die optische Komponente zumindest ein Linsenteil (3) umfasst. Infrarot-Anwendungsanlage (100; 200), umfassend eine optische Komponente (2; 3), wobei die optische Komponente wie in einem der Ansprüche 4 bis 7 definiert ist. Verfahren zur Erzeugung einer optischen Komponente (2; 3) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, umfassend die folgenden Schritte:

Herstellung von Zinksulfidpulver mit einer Reinheit von wenigstens 98% und mit einer durchschnittlichen Korngröße von wenigstens 1 &mgr;m und nicht mehr als 2 &mgr;m, und

Heißkompressionsformen des Zinksulfidpulvers in einer nicht-oxidativen Atmosphäre bei einer Temperatur von wenigstens 900°C und nicht mehr als 1.000°C und bei einem Druck von wenigstens 150 kg/cm2 und nicht mehr als 800 kg/cm2, unter Erhalt eines Sinterkompaktes aus Zinksulfid.
Verfahren zur Erzeugung einer optischen Komponente (2; 3) gemäß Anspruch 9, weiterhin umfassend den Schritt des optischen Polierens und Bearbeitens einer Oberfläche des Sinterkompaktes aus Zinksulfid. Verfahren zur Erzeugung einer optischen Komponente (2; 3) gemäß Anspruch 9, weiterhin umfassend den Schritt der Bildung eines Antireflexions-Beschichtungsfilms, der einem Wellenlängenbereich von 8 bis 12 &mgr;m entspricht, auf einer Oberfläche des Sinterkompaktes aus Zinksulfid, der optisch poliert ist. Verfahren zur Erzeugung eines Sinterkompaktes aus Zinksulfid nach einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend folgende Schritte:

Herstellung von Zinksulfidpulver mit einer Reinheit von wenigstens 98 % und mit einer durchschnittlichen Korngröße von wenigstens 1 &mgr;m und nicht mehr als 2 &mgr;m, und

Heißkompressionsformen des Zinksulfidpulvers in einer nicht-oxidativen Atmosphäre bei einer Temperatur von wenigstens 900°C und nicht mehr als 1.000°C und bei einem Druck von wenigstens 150 kg/cm2 und nicht mehr als 800 kg/cm2, unter Erhalt eines Sinterkompaktes aus Zinksulfid.






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