塑料光学元件 Plastic optics

2022-10-31 11:37:32 浏览:206

定义

由有机高分子材料制成的光学元件。

有各种高透明有机聚合物材料,可用作各种应用的光学材料。 这个区域称为塑料光学或聚合物光学。 由于其典型的无定形结构,这些材料也被称为有机玻璃。 相比之下,传统的光学玻璃是无机玻璃材料。

二手材料

塑料光学元件通常由有机材料制成,主要化学成分是碳、氢和氧。 一种从某种单体物质开始,然后进行聚合(有时以缩聚的形式):大分子通过结合单体形成。 形成的大分子通常具有链的形式,并且这些链也可能具有额外的连接。

用于光学应用的常见聚合物材料有:

  • 聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA,丙烯酸)
  • 聚碳酸酯 (聚碳酸酯)
  • 聚苯乙烯
  • 液态有机硅,例如柔性树脂形式

此类材料有许多商标。

与其他应用的塑料相比,光学塑料必须由具有优化工艺的高质量纯材料制成,以获得相当好的光学性能。

光学元件的类型

塑料物体大多以透镜(包括微透镜)、棱镜和光学窗口等常见的体光学元件的形式使用。 透镜的一个吸引人的特点是,具有高数值孔径的非球面透镜可以很容易地通过成型和压花工艺制造 - 比大多数无机玻璃更容易和快速。 即使是自由曲面光学器件也可以相对容易地制造出来。 此外,可以将消色差透镜(包括复消色差透镜)制成复合透镜。 此外,塑料光学元件可以与其安装座一起制造是有利的。

塑料光学元件通常配备涂层以提高机械耐久性。 例如,眼科眼镜通常配备基于有机改性二氧化硅层的涂层。还可以实现抗反射性能,通常通过具有四到六层的涂层设计,例如二氧化硅和五氧化二钽。介电涂层也可以制成薄聚合物薄膜,例如一些非晶含氟聚合物。

有塑料光纤,例如用作短距离光纤通信的多模光纤。 它们通常由PMMA芯和硅树脂制成的包层制成。

聚合物还用于一些集成光学器件的器件,其中可能包含波导和其它特征。

有时,聚合物的特殊性能被利用。 例如,有利用聚合物的高热光学系数的热光学器件。 在其他情况下,使用光学非线性。

只需拉伸聚苯乙烯等聚合物材料即可获得显著的光学双折射。 此外,塑料偏振片可以相对容易地制造。 另一方面,需要通过仔细的工艺控制来避免不必要的双折射效应,例如在成型工艺中。

还有由塑料材料制成的微光学器件。 事实上,聚合物材料通常特别适用于用于微光学的制造技术。

塑料光学器件的典型特性

高透光率通常在整个可见光谱区域获得,在近红外范围内获得有限的程度。 通常,由于C-H基团的第一泛音和较长波长下的额外吸收,在≈1.7μm处存在吸收特征。 然而,在850、1310和1550nm附近的三个电信窗口中,吸收损耗可能很低。

使用塑料物体的主要驱动因素是通常较低的成本。 这是通过简单的制造工艺造成的。 例如,许多聚合物材料适用于成型工艺,这些工艺简单快捷,甚至可以提供非球面表面。

另一方面,光学质量暂时低于光学眼镜所能达到的质量。 因此,尽管玻璃成本较高,但仍然广泛用于高质量的光学元件。

塑料光学器件的高温灵敏度可能是一个问题!

光学聚合物材料的折射率通常在1.4和1.7之间,因此与典型的光学玻璃相似。 然而,它们的温度依赖性通常比玻璃强得多(具有强烈的负dn / dT),这主要是由其强大的热膨胀(比典型玻璃强一到两个数量级)引起的。 因此,塑料光学器件往往比玻璃光学器件对温度敏感得多。 它们通常仅适用于高达 60 °C 的工作温度,尽管聚碳酸酯材料可以使用高达 130 °C 的温度。

聚合物折射率(→色色色散)的波长依赖性相对较强。 这可能是一个问题,但在某些情况下,强色散与低折射率的组合(这对于眼镜来说是不寻常的)可能是有用的。

塑料通常非常柔软,即它们相对容易变形或划伤,但也不像玻璃那样容易破裂。 对于某些应用,需要非常自透明的材料,例如液态硅胶。

大多数聚合物的化学强度不如玻璃;例如,它们可能会吸收水分,从而改变其特性。

聚合物的密度通常相当低,允许制造实体设备的轻质组件。

由于残余吸收和通常相当低的导热性,聚合物通常不适合涉及高光功率或强度的应用。 因此,由于光学质量有限,它们在激光光学中并不常见。

聚合物可以相对容易地配备染料,例如用作基于波长依赖性吸收的滤光片。

常见应用

塑料镜片广泛用于眼科。 例如,对于老花镜和太阳镜,除了降低成本外,重量轻和脆弱性降低也是有利的。 人工晶状体和隐形眼镜基本上总是由聚合物制成。激光安全眼镜通常由聚合物制成,并添加了用于光谱过滤的染料。

对于智能手机和无人机等移动设备,需要微型相机,这些相机基本上总是基于塑料光学器件,通常带有小型非球面透镜。 对于具有多个球面透镜的物镜,没有可用的空间,通常用于大型摄影机。 如今,通过极其紧凑和低成本的相机设计可以实现令人印象深刻的图像质量。

类似的方面也适用于光存储设备,例如CD,DVD和蓝光光盘。

此外,各种类型的光反射器通常由塑料制成,例如用于引导发光二极管的输出。

基础光学

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