在大批量生产条件下,光学元件或光学系统需要低成本的材料和低成本的加工技术,例如工业监控镜头、数码相机镜头、单反相机镜头,经常使用具有非球面等复杂面型的塑料光学元件。与玻璃材料相比,塑料光学材料具有较轻的质量和较强的抗冲击性,并能提供更多的形状可塑性。外形适应性是塑料光学材料的最大优点之一。非球面透镜和复杂的形状都可以注塑制造。例如,为便于调整,可以一次成型制造带有整体固定架、隔圈和支撑外形的透镜。
但是,在将塑料用作光学材料时必须考虑几个问题:塑料的主要缺点是耐热性较低,其融化温度比玻璃低得多,表面耐磨性和抗化学性较差。薄膜的附着力也比玻璃低,因为塑料的融化温度低,薄膜的沉积温度受到限制;另外,塑料透镜上膜层的耐用性也不如玻璃,经过一段时间,塑料上的膜层经常开裂。使用离子辅助沉积方法实现的塑料镀膜,能提供较坚固而耐用的薄膜。
光学塑料材料的选择十分有限,表明光学设计过程的自由度减少。一般光学塑料的热膨胀系数大,折射率随温度升高而减小(玻璃是增加的),变化量比玻璃高约50倍。塑料的热膨胀系数比玻璃大约高10倍。高质量的光学系统设计可以通过玻璃和塑料透镜的组合来实现,与系统中的玻璃元件相结合,塑料透镜可以极大地降低光学系统的价格和复杂性。当光焦度主要分布在系统中的玻璃元件时,使用一片或两片弱光焦度的塑料非球面校正器,可以有效地校正光学像差,特别是广角镜头系统中的畸变。使用弱光焦度塑料元件可将温度变化对焦点的影响降至最小。
塑料光学元件可以用注塑成型、压塑成型的方法来制造,或者用浇注的塑料块来制造。对于成型工艺存在严重限制的大光学元件,用车削和抛光浇注塑料块的方法制造,成本也较低。压塑成型可提供高精度和对光学参数的控制,注塑成型是最经济的方法。一般情况下,压塑与注塑工艺都需要高精度的模具。模具制造虽然价格昂贵,但在大批量生产中可以分摊成本,经济上也比较合算。在系统的原型样机开发阶段,可利用金刚石车削的塑料光学元件来制造样机,因为金刚石车削的成本比制造模具的成本低。利用现代的高质量单点金刚石车削技术,车削槽纹的散射影响需要得到控制。如果供应商的水平很高,则不必担心可见光应用的散射影响,但有时也需要事后抛光,去除车削的残余痕迹。
与用玻璃元件相比,用塑料元件进行系统设计时,光学设计人员必须更仔细地控制透镜的形状。对透镜的形状(即弯曲)应该进行优化,可以保证塑料材料在模具中有很好的流动性。同时,透镜的厚度应该很小,分界线即两个模具的接触线应该通过透镜材料。在压塑成型情况下,必须消除透镜表面上的拐点,因此,可用的透镜形状不是任意的,要求在优化过程中控制更多的参数。另外,必须监控透镜的形状和随温度变化的折射率,或者说必须对特定的温度范围进行优化。
几种最常用的塑料材料是丙烯酸(聚甲基丙烯酸甲酯)、聚苯乙烯、聚碳酸酯和COC(环烯共聚物)。
(1)丙烯酸。丙烯酸是最常用和最重要的光学塑料材料,具有良好的透明度,在可见光范围内有很好的透射比,有较高的阿贝数(55.3)和很好的机械稳定性。丙烯酸易于车削和抛光,是注塑成型的良好材料。(www.xing528.com)
(2)聚苯乙烯。聚苯乙烯也是一种好塑料,比丙烯酸便宜,但在深蓝光谱区有略高的吸收率。其折射率(1.59)比丙烯酸高,但阿贝数(30.9)较低。它的抗紫外辐射性和抗刮擦性比丙烯酸低。丙烯酸和聚苯乙烯形成可行的消色差材料配对。
(3)聚碳酸酯。聚碳酸酯比丙烯酸贵,但具有很高的抗撞击强度,在较大温度范围内有很好的性能。聚碳酸酯经常用于制作塑料眼镜片。眼镜片中聚碳酸酯的常见类型是CR39。
(4)COC。COC是光学工业中相对较新的材料,有许多类似于丙烯酸的特性。COC的吸水性低,而且具有较高的热变形温度,易碎。COC的新名称是Zeonex。
以上几种光学塑料的特性对比如表7-2所示。
表7-2 光学塑料的光学和物理特性
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