光学系统都有一定的工作波长范围。波长工作范围是由光源辐射的光谱特性、探测器的光谱响应灵敏度与光学系统的光谱带宽范围共同决定的。如果对于目视光学系统,作为探测器的人眼,其光谱响应范围是可见光波段,人眼眼底细胞响应的光谱灵敏度曲线如图7-1所示,则目视系统所用的光学材料大致波段为425～675nm,应具有较好的透射效果。光学玻璃是光学系统中最常用的材料,包括无色光学玻璃、红外光学玻璃、紫外光学玻璃等。其中,无色光学玻璃因首先满足于人眼的观察需求,被国内外玻璃制造厂商广泛研究并且大量生产,其稳定性优良,形成了成体系的命名规则。绝大部分无色光学玻璃在1.0μm的近红外波段,具有良好的透过效果。波长更长的红外与更短的紫外光学玻璃组成的光学系统,可以帮助人眼看到裸眼看不见的目标,获得了国内外广泛重视与研究;但因研究历史时间不长,具有优良化学稳定性、工艺性的红外与紫外玻璃种类不多,远少于无色光学玻璃。如红外波段,具有优良加工性能和稳定性的常见材料有硅(Si)、锗(Ge)、硒化锌(ZnSe)、硫化锌(ZnS);紫外波段,具有优良加工性能和稳定性的常见材料有光学熔融石英、萤石。
图7-1 人眼眼底细胞的光谱响应灵敏度曲线
另外,有一些可以注塑成型的光学塑料在可见光区有良好的透射性。在大批量生产中,光学塑料因具有优良的注塑成型技术,其制造成本要比传统的玻璃制造法便宜得多。在小型镜头与数码相机等光学系统方面,结合具有强大像差校正能力的非球面,使得光学塑料成为设计中优先选用的光学材料。
选择光学材料时,需要考虑镜头系统的工作温度范围。光学材料的折射率随温度变化而改变,其膨胀程度也随温度而变化,温度的变化将改变透镜的形状和光焦度。光学塑料的热膨胀系数要比玻璃的热膨胀系数大一个数量级左右。光学熔融石英具有极低的热膨胀系数,成为无热设计或要求较高的标准器具设计中优先选用的材料。(www.xing528.com)
如果环境温度升高到几百摄氏度,光学系统就不能使用塑料材料,因为高温时塑料会软化。大多数光学玻璃能承受几百摄氏度的高温而不变形。在靠近光源的照明系统中,温度可能高达900℃,在这种情况下,光学玻璃也会软化;或者因环境温度极高,需要使用应力双折射较低的材料,以防爆裂。高温环境的光学系统,经常应用膨胀系数较小的熔融石英,因为它可以在接近1 000℃的温度下工作。
光学元件制造商经常在产品样本中提供有关标准光学材料的信息。图7-2给出由美国Melles-Griot公司提供的用于可见光、近紫外(UV)和近红外(IR)光谱区的光学材料的综合信息。
图7-2 M elles-Griot公司样本的材料特性
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