光学塑料制品的广泛应用

综上所述，光学塑料存在热变形温度低、制品几何形状及光学参数随温度变化较大等弱点，加工中应力及取向性也都会影响光学性能。另外，其光分散度比光学玻璃高得多，对不同光波的分离能力不高，用其作棱镜时分离彩色光谱很困难，致使产生色彩散射，制品不可避免地会形成带细纹颜色。由于有以上各种不利因素，所以塑料透镜多数只适用作低精度光学元件，如照相机镜头等。

1.透镜及镜片的应用

尽管如此，光学塑料仍各有不同的光学特点，且加工性好，抗冲击，所以在透镜方面还可用于多种场合。

1）PS、纤维素塑料、乙基纤维素、AS、PC、PMMA、丙烯酸塑料等散射性小，尤其是PMMA、PS、PC、PMMA/PS可适用于作透镜、棱镜、镜面玻璃、折射和反射元件。丙烯酸、乙基塑料的耐热性差而抗冲击强度好，故可作橱窗和一般光学元件。另外，PMMA只宜传递波长为400～1000nm的近红外线波，对波长大于1000nm以上的光波吸收率较大，且塑料会被高密度紫外线辐射发生衰变，因此在传递波长>400nm的光线时应附加滤波器。PC、PMMA、PMMA/PS的光学性能及物性较好，还可作计算机显示器等薄壁片状元件。PS目前主要用作光学玩具和一般照相机的物镜等。

2）利用塑料加工性好的特点制作异型光学元件，如图15-5所示。

图15-5 异型塑料透镜

a）反射透镜 b）Fresnel透镜

这两种异型透镜形状复杂，几何尺寸形状精度要求较高，如果用光学玻璃制作，则加工困难，价格昂贵，而用光学塑料则可利用数控雕刻机制作母模再精密浇注光学塑料制品，抛光后即可制成制品，其加工性比光学玻璃好得多。图15-5a所示为反射透镜，又称回射透镜，具有将透镜一侧射入的光线，经排列整齐的角锥凸起（也有球面凸起），再将光线反射回去，可提示此处有警示障碍物，通常用于汽车尾灯透镜、汽车标杆和高速公路边界线和标杆上的反向反射光元件。

图15-5b所示为菲涅尔透镜（盘片状），将制品半球面凸透镜一侧做成许多同心阶梯环形带（阶梯高差为0.1mm），有近似放大的作用，可将平行的太阳光聚焦获得热量或作为光源的聚焦透镜。可制成平行状的粗糙的放大镜和可移动式的透镜，还可用于调节光线亮度或取景的大小（反光照相机取景器），大型制品可作太阳炉中的大面积收集阳光器材。随着塑料注射工艺、压缩工艺及注压工艺的发展，目前已可采用精密加工工艺大量生产菲涅尔塑料透镜。

3）其他还可作衍射光栅（1mm内可刻50～500条线）。其成本较低可用于光分析和显示，可用作彩虹光泽的假宝石，可作有起偏光镜作用的极化光装置或有像形传递特性的滤光镜，还可制作从不同角度呈不同颜色的二色或三色性镜片用作太阳镜片。

用作镜片、透镜的制品在加工中一定要严格控制模具精度、型面表面粗糙度、平整度、成型条件、光学塑料的原料质量、含水量等参数，只有在保证制品收缩及密度均匀，保证制品尺寸及几何形状精度（厚度精度一般为±0.013mm），且制品内应力及取向性小的条件下才能达到光学性能的要求。

2.光管效应应用

光学塑料的另一个重要用途是作光导制品（如光导纤维、光管、光缆等），这里列举几种光导制品如下：

1）远距照明用光管。如图15-6所示，可将设置在远处的光源发出的光线经光管传送到被照明处，其优点是光管照明不发热光，不受照明空间限制，光源可置于安全方便的地方，可用于易燃、易爆仓库，矿井照明，隧道及水下照明，也可用于窄小空间照明，如胃镜、喉镜、肠镜检查器械等。

2）发光标记显示器。如图15-7所示，利用光管效应将光线传至有刻度或标记处提供显示照明，如汽车仪表盘照明等。图15-7a所示为端面经粗化处理的光管，可发出不刺眼的散漫光线；图15-7b所示为透明塑料板（PMMA），光线从一端射入向前传递到所要显示的标记处，由于在底面开了有角度槽或经粗化的底条，故光线改变传递方向形成光线漫射，向板面发出光即可产生显示板面上标记的效果，如用作警戒灯透镜、汽车紧急灯、停止灯、反射镜、公路指示障碍标牌等。

图15-6 利用光管作用获得远程照明

a）内径≥厚度的2倍 b）内半径<厚度的2倍

图15-7 发光标记显示结构

a）光管受光结构 b）边缘受光的标志结构

目前，塑料光管已大量用于晚间勾画建筑物的轮廓，以及用来组成各种图案、文字和符号，制作成各种广告牌。为了克服塑料光管的传光距离短的不足，可采用单光源的环形连接光管，或者使用光管两端的双光源，或者多光源串联。以此，可实施上百米的建筑物装饰，用塑料霓虹灯替代玻璃霓虹灯。光管照明和标记显示大多采用金属卤化物灯光源。(www.xing528.com)

3.光纤制品的应用

塑料光纤（简称POF）与石英光纤相比有明显的缺点，如耐热性差、传递光能损耗大、色散大、带宽窄、可载信号容量小等，但也有许多优点，如质量轻，仅为玻璃纤维的1/2；成本低（为石英纤维的1/10）；芯径大（1mm左右）；可采用廉价的发光二极管作光源等。另外，塑料光纤具有切割及接线方便、施工安装简便、柔软韧性好不易折断、可承受较大的应力载荷（如挠曲和振动）、连接大功率激光源容易、传送损耗比电缆和微波输送低、可做到几十千米无中继、不受电磁波干扰、保密性好、可节省大量有色金属、安装维护方便、质轻便于运输等许多优点，所以至今颇受关注，应用较广，其按用途大致可概括为下列几类：

1）近距离传送信号。传输光纤（又称通信光纤）是用于光通信，即利用光脉冲的“有”和“无”（代表数字1和0）来编辑数据进行数据通信的。目前，传输速度为5Mb/s左右（石英纤维为1000Mb/s），损耗50～300dB/km，工作温度可达80～125℃，可作短距离光缆用于多媒体、汽车、船舶、飞机上的短途数据通信系统和移动通信系统。

2）在工艺品、广告灯、装饰装潢上作光景效应。如在各种大小工艺品、盆景、广告箱、立体场景、平面结构装饰画、广告画等各种场景制造变色、闪光、彩色立体照明等各种色彩的静态或动态的光景。图15-8所示即为彩色光照喷泉场景，用POF的彩色光照明。水泵喷水管置于中央，从顶端下垂的变色光纤发出彩色光，与喷泉水交相辉映，光彩夺目。组合光纤喷泉也可以是小型的独立可移动装置，适用于商场、展览馆所，甚至舞台。

图15-8 塑料光纤水花喷泉的结构

1—集水盘 2—下垂照明光纤 3—水喷头 4—中央水管 5—支架 6—主水管 7—塑料光纤 8—微电动机 9—色盘 10—光纤束插座 11—卤钨灯 12—变压器 13—电动机电源开关 14—水压阀 15—水泵 16—电动机 17—水源 18—光源电气开关 19—电气箱

3）用作传感器，即利用POF为导光介质，将光源传导到光纤探头，再将探头获得的探测光送至探测器上，经光电转换即可变成各类信息，也可将光纤的一端直接改装成光学传感器。光纤传感器应用极广，现已广泛用于工业、建筑、医学、桥梁等各个领域，可以监测应力、预测裂纹、监测人体心率、呼吸、体温、胃液pH值等各种生理参数，还可窥测封闭容器内运作状态（如液面高度、胀压力等）。图15-9所示为探测裂缝的光纤传感器。在钢筋混凝土中埋置塑料光纤，可监察桥梁和建筑物构件的裂缝、应力和应变。聚酰亚胺芯和聚甲基丙烯酸甲酯芯，有比石英玻璃光纤更好的耐久性。塑料光纤还可以预埋在玻璃纤维增强的塑料制品中，检测复合材料的容器、储罐和管道的裂缝、应力和应变。通过光纤中光强度变化可测知裂缝。光纤在同制品一起承受变形时，光纤芯不均匀的应变使光线有行程差，会探测到光的干涉条纹。具有塑料光纤监测系统的制品，常被称为智能材料的制品。

图15-9 玻璃纤维增强的复合塑料中塑料光纤探测裂缝

1—玻璃纤维 2—塑料基体 3—裂缝 4—塑料光纤

4）传递光束、图像、文字和标记。POF也可如光管一样传递光束供照明用，如用耐热PMMA光纤可在80℃以下作汽车仪表板照明。

利用传递光束的原理还可制成图像传递至显示屏，即将每根光纤制作成光绝缘（不泄光）的传像束，然后有序排列成集束阵，如图15-10～图15-11所示。每根光纤即为一个像素，当物像传入后，图像经光点阵或将信息经数码处理后将物像放大或缩小输出在显示屏上。这种结构常用阶跃折射率SI和PM-MA作纤芯，纤径可小于1mm，分辨率、亮度和承受应变能力都较高，可作交通和商业广告用大屏幕，也可作工业、医用内窥镜、投影屏、电子显示屏，光纤经热压后还可作成光纤面板。

图15-10 图像放大的塑料光纤锥形传像束

1—像面 2—物面

4.光功能塑料的应用

光功能塑料的品种和用途很多（详见第十六章），这里主要介绍利用光学塑料可产生偏振光的原理用作各种测量仪器的情况。

图15-11 大屏幕的塑料光纤面板

1—像面 2—物面

由于光线经过有明显取向性的透光塑料时，沿分子链取向方向传入的光线会被吸收，而垂直分子链方向的光线可横贯而过，因此如将能产生双折射的透明材料制成偏振光板，即可将射入的普通光线转变为偏振光（称为起偏振装置）。如果将偏振光射入具有取向性或残余应力的透明塑料，则塑料试片上会呈现彩色干涉条纹，可取得该材料的双折射率。折射率大小与塑料片内的取向性或内应力大小呈线性关系（称其为光弹性）。因此，利用光弹性原理即可制作偏振光仪用于测量光学制品内的残余应力，还可用作光谱含量分析测定（SCA），用光弹法和去层法（用于测量不透明塑料）可测量各种塑料的残余应力特性，目前已积累了大量的数据，为注射制品的CAE/CAD数据分析提供了校核依据，如现已应用的Moldflow软件中MPI/Warp系统和MPI/Stress系统已都能进行注射件的残余应力、翘曲变形分析及预测工作，有效地提高了模具设计水平。