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Hintergrund
der Erfindung
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Gebiet der
Erfindung
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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.
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Beschreibung
des Standes der Technik
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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.
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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.
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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 μm erfüllen. Die
Entwicklung für
die praktische Verwendung läuft
nun auf der Basis der ausgezeichneten Infrarot-Transmissionseigenschaften ab.
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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.
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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.
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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 μm entfaltet.
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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 μm 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 μm) und 19% bei der Wellenlänge von
2,5 μm im nahen
Infrarotbereich ist. Es wird daher überlegt, dass eine Probe mit
einer Dicke von 2 mm eine höhere
Lichttransmission entfalten kann.
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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 μm und einer
durchschnittlichen Korngröße von 2 μm 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 μm gemäß 1 dieses
Dokuments.
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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 μm. Gemäß 3 ist die
Lichttransmission der Probenscheibe mit der Porosität von 0,5%
0% bei einer Wellenlänge
von 2,5-3 μm
und ungefähr
40–60%
bei einer Wellenlänge
von 8–10 μm. Unter
der Annahme, dass die Porosität
0,05% ist, ist die Lichttransmission ungefähr 15–25% bei der Wellenlänge von
2,5-3 μm
und ungefähr
70% bei der Wellenlänge
von 8–10 μm. 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.
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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 μm durch Heißpressen von ZnS-Pulver mit
hoher Verunreinigung, wobei die Korngröße nicht mehr als 5 μm 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
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1 hat
eine ausgezeichnete Transmissionsfähigkeit beim Wellenlängenbereich
von 8–12 μm. Es ist ebenfalls
zu entnehmen, dass die Probe von 2 eine ausgezeichnete
Transmission beim Wellenlängenbereich
von 2,5-3 μm
im Vergleich zu der von 1 hat.
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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 μm 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.
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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 μm
bis zu nahen Infrarotstrahlen mit einer Wellenlänge von nicht mehr als 3 μm und ebenso
sichtbares Licht mit einer Wellenlänge von 0,4–0,8 μm zusätzlich zu den Infrarotstrahlen
von 8–12 μm, was essentiell
für das
Abtasten des Körpers
erforderlich ist, und reagiert auf diese. Diese Empfindlichkeit
induziert das Problem des fehlerhaften Vorgangs und Abtastpräzisionsfehler.
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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.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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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 μm
reduziert, die das Rauschen für
einen nicht gekühlten
Infrarotsensor darstellen, das eine hohe Transmission für Infrarotstrahlen
im Wellenlängenbereich von
8–12 μm 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.
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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.
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Eine
Infrarot-Anwendungsanlage gemäß einem
anderen Aspekt dieser Erfindung umfasst eine optische Komponente
der oben beschriebenen Struktur.
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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 μm und
nicht mehr als 2 μm
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.
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Bevorzugt
umfasst das Verfahren zur Herstellung einer optischen Komponente
weiterhin den Schritt des optischen Polierees und Bearbeitens der
Oberfläche
des Zinksulfid-Sinterkompaktes.
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Weiter
bevorzugt umfasst das Verfahren zur Herstellung einer optischen
Komponente weiterhin den Schritt der Bildung eines Antireflexions-Beschichtungsfilms
entsprechend dem Wellenlängenbereich
von 8–12 μm auf der
Oberfläche
des optisch polierten Zinksulfid-Sinterkompaktes.
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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 μm und
nicht mehr als 2 μm
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.
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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 μm und hat
eine extrem niedrige Transmission des sichtbaren Lichtes und von
Strahlen im Wellenlängenbereich
von 2,5-3 μm,
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 μm entspricht,
der auf der Oberfläche
gebildet ist.
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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.
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Die
genannten und andere Ziele, Merkmale, Aspekte und Vorteile dieser
Erfindung werden aufgrund der folgenden Beschreibung zusammen mit
der beigefügten
Zeichnung deutlicher.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnung
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1 ist
ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Wellenlänge und
Transmission eines konventionellen repräsentativen, Infrarot durchlassenden,
polykristallinen ZnS-Sinterkompaktes zeigt.
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2 ist
ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Wellenlänge und
Transmission eines anderen konventionellen Infrarot durchlassenden,
polykristallinen ZnS-Sinterkompaktes zeigt.
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3 ist
ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Wellenlänge und
Transmission eines polykristallinen ZnS-Sinterkompaktes dieser Erfindung
zeigt, der sichtbares Licht abschirmt.
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4 ist
ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Wellenlänge und
Transmission eines anderen polykristallinen ZnS-Sinterkompaktes
dieser Erfindung zeigt, der sichtbares Licht abschirmt.
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5 ist
ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Wellenlänge und
Transmission eines weiteren polykristallinen ZnS-Sinterkompaktes
dieser Erfindung zeigt, der sichtbares Licht abschirmt.
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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.
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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.
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8 ist
eine SEM-Fotografie einer typischen gebrochenen Oberfläche eines
polykristallinen ZnS-Sinterkompaktes dieser Erfindung, der sichtbares
Licht abschirmt.
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Beschreibung
der bevorzugten Merkmale
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Eine
optische Komponente dieser Erfindung wird aus einem polykristallinen
Zinksulfid-Sinterkompakt mit ausgezeichneter Lichttransmission bei
einem Wellenlängenbereich
von 8–12 μm gebildet,
dessen Transmission des sichtbaren Lichtes und Infrarotlichtes mit
einer Wellenlänge
von nicht mehr als 3 μm
signifikant reduziert ist, die das Rauschen für einen nicht gekühlten Infrarotsensor
verursachen.
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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 μm) und ebenfalls 0–20%, gewünscht nicht
mehr als 10% für
nahe Infrarotstrahlen im Wellenlängenbereich
von 2,5-3 μm,
wenn die Dicke 2 mm ist. Die Transmission beim Wellenlängenbereich
von 8–12 μm 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.
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Erfindungsgemäß bedeutet „Transmission" die lineare Transmission,
gemessen durch FTIR (Fourier Transform Infrarot) oder einen Doppelstrahltyp-Spektrofotometer.
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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 μm 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.
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Die
durchschnittliche Porengröße des Zinksulfid-Sinterkompaktes
ist wünschenswert
nicht mehr als 0,2 μm.
Wenn die durchschnittliche Porengröße 0,2 μm 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 μm 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.
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Die
durchschnittliche Kristallkorngröße des polykristallinen
Zinksulfid-Sinterkompaktes liegt bevorzugt im Bereich von 2–50 μm. Wenn die
durchschnittliche Kristallkorngröße weniger
als 2 μm
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 μm nicht erhalten werden
kann. Wenn die Korngröße 50 μm 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 μm.
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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 3–5 gezeigt
ist. Die folgende Tabelle 1 fasst die Transmission der jeweiligen Wellenlängenbereiche
entsprechend den Daten der 3–5 zusammen.
Erfindungsgemäße Materialien 1–3 entsprechen
den Proben 1–3
in den jeweiligen Beispielen, die nachfolgend beschrieben werden.
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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.
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Tabelle
1 Gemessene
Wellenlänge
(μm) und
Transmission (%)
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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 μm
aufweist. Es ist ebenso ersichtlich, dass die Transmission der Infrarotstrahlen
von 8–12 μm, 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 μm verhindert,
kann, falls erforderlich, angewandt werden, zur weiteren Verbesserung
der Transmission bei diesem Wellenlängenbereich.
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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.
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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 μm 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 μm 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 μm
aufweist, kann nicht leicht erzeugt werden. Ebenso werden die Kosten
davon erhöht.
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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.
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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.
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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.
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Weiterhin
wächst
die Kristallkorngröße des ZnS-Sinterkompaktes auf
mehr als 50 μm.
Die mechanische Stärke
des Sinterkompaktes wird vermindert, wodurch dessen Verwendung als
optische Komponente beschränkt
wird.
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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 μm
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.
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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.
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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 μm und Verminderung
der Transmission der nahen Infrarotstrahlen bei 2,5-3 μm.
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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 μm und der
Durchmesser der schwarzen Pore darin ungefähr 0,2–0,1 μm für den Sinterkompakt sind. Es
wurde festgestellt, dass die durchschnittliche Kristallkorngröße auf ungefähr 50 μm bei der
oben beschriebenen hohen Temperatur der Sinterbedingung wachsen
kann.
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Beispiel
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ZnS-Pulver
mit einer Reinheit von 99,8% und mit einer durchschnittlichen Korngröße von 1,2 μm, 1,5 μm und 2 μm, 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.
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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 μm 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 μm,
0,8 μm,
2,5 μm,
3 μm, 8
um und 12 μm
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.
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Die
erhaltenen Ergebnisse gemäß SEM der
gebrochenen Oberfläche
der Probe 1 sind in 8 gezeigt. Die Porengröße war 0,1–0,2 μm und die
durchschnittliche Kristallkorngröße war 2–3 μm. Obwohl
die Porengröße im wesentlichen
gleich für
andere Proben war, gab es einige, die eine durchschnittliche Kristallkorngröße von mehreren
10 μm hatten,
und dies wurde bei der Sintertemperatur von 975°C gesehen.
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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 μm. 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 μm.
Es wurde festgestellt, dass sie als Fensterteil für einen
nicht gekühlten Infrarotsensor
sehr geeignet waren.