Optische IR-Komponenten aus ZnS/Zinksulfid: eine vollständige Anleitung
Zinksulfid (ZnS) wird oft mit ZnSe (Zinkselen) verwechselt und ist auch ein sehr beliebtes Material für Infrarotanwendungen. Da es eine breitere Transmission im sichtbaren Spektrum aufweist, ist es für dünne Komponenten der Multispektralqualität nahezu farblos, während es für die FLIR-Qualität einen leicht gelblichen Aspekt aufweist.
Optische ZnS-Disc
Warum ist ZnS / Zinksulfid ein gutes optisches Material?
Das in der Optik verwendete Zinksulfidmaterial hat eine kubische Kristallstruktur. Es kann in zwei Qualitäten hergestellt werden: FLIR ZnS und multispektrales ZnS.
FLIR ZnS-Qualität
„FLIR“ bezieht sich auf „Forward Looking Infrarot“, da das Material für das thermische IR-Spektrum von 8–12 µm optimiert wird. Die FLIR-Sorte wird im CVD-Verfahren (Chemical Vapour Deposition) hergestellt und liegt in Form monokristalliner Materialblöcke vor. Wie oben erwähnt, wird das Material eine gelbliche Farbe haben.
Multispektraler ZnS-Typ
Der multispektrale ZnS-Typ wird ebenfalls durch CVD hergestellt, erfordert jedoch eine Nachbearbeitung, um die Homogenität seiner optischen Eigenschaften im gesamten Transmissionsspektrum von FLIR bis zum sichtbaren Bereich zu verbessern. Diese Nachbearbeitung wird Hot Isostatic Pressing (HIP) genannt. Durch die Anwendung von hohem Druck und hoher Temperatur werden die meisten Defekte im Kristallgitter „geheilt“.
ZnS / Zinksulfid: Eigenschaften
Eigenschaftstabelle von Zinksulfid:
| Eigenschaft | Werte |
|---|---|
| Materialname | Zinksulfid |
| Chemische Formel / Chemisches Element | ZnS |
| Materialstruktur | Mono- oder polykristalline kubische Struktur |
| Farbe | Klar bis gelblich |
| Brechungsindex | 2,2 im Sichtbaren (2,89 @ FLIR) |
| Übertragungsreichweite | 370 nm bis 14 µm |
| Dichte | 4,09 g/cm3 |
| Härte | 210-240 kg/mm2 |
| E-Modul | 74,5 GPa |
| Wärmeausdehnung | 6,8*10-6 °K-1 |
| Wärmeleitfähigkeit | 16,7 W/(m*°K) |
| Schmelzpunkt | 1293 °K (1020°C) |
Transmissionskurve von Zinkselenid
Transmissionskurve von ZnSe
Welche Art von optischen Komponenten kann aus ZnS hergestellt werden?
Obwohl Zinksulfid härter als ZnSe-Material ist, lässt es sich dennoch leicht verarbeiten und bietet daher eine breite Palette an Komponenten:
-
- ZnS-Fenster: werden für Wärmebild-/FLIR-Anwendungssensoren/Kameras oder als multispektrales Fenster verwendet.
- ZnS-Linsen: Sphärische Linsen und asphärische ZnS-Linsen werden häufig in IR-Sichtsystemen verwendet.
- ZnS-Kuppeln: werden hauptsächlich für Raketenköpfe verwendet.
Allgemeine Spezifikationen für ZnS-Fenster und -Linsen
| Eigenschaften | Werte |
|---|---|
| Verfügbare Abmessungen | Durchmesser 3 bis D200 mm |
| Maßtoleranzen | +/-0,05 mm |
| Oberflächenqualität | S&D: bis zu 40/20 |
| IRR | bis zu 1/20 Lambda |
| Beschichtungen | Multispektral oder AR 8–14 µm |
Bei den oben genannten Werten handelt es sich um allgemeine Spezifikationen für die Fertigung. Möglicherweise sind spezifische bessere Werte verfügbar und müssen von Fall zu Fall überprüft werden.
ZnS oder ZnSe, welches soll ich wählen?
Obwohl beide Materialien sehr ähnliche Namen haben, weisen sie Besonderheiten auf.
- ZnSe hat eine geringere Absorption bei 10,6 µm, was es zum bevorzugten Material für CO2-Laser macht.
- ZnS hat eine breitere Transmission im sichtbaren Bereich, aber eine kürzere im fernen Infrarot. Die Auswahl sollte je nach interessierendem Spektrum erfolgen.
- ZnS ist stärker und widerstandsfähiger als ZnSe und daher zu empfehlen, wenn mechanische Festigkeit wichtig ist.
Wo kann man optische Zinksulfid-IR-Komponenten kaufen?
ZnS-Substrate sind in der Natur sehr selten und daher wird der Großteil des Rohmaterials in Laboratorien gezüchtet.
Anbieter von IR-Präzisionsoptiken bieten alle Arten von optischen Komponenten aus Zinksulfid und können auch optische Beschichtungen für verbesserte Eigenschaften anbieten.
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