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光学材料的种类

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光学材料的种类

发布日期:2019-07-26 作者: 点击:

光学材料

任何光学系统都是由折射元件和反射元件组成的。现代光学系统所要工作的波段范围很宽,因而要求折射材料能对所工作的波段透明,反射元件要能对所工作的波段有高的反射率。


1、透明光学材料(透射材料)

投射材料的光学特性主要由对各种色光的透过率和折射率决定。大部分光学零件是由光学玻璃制成的。一般光学玻璃能通过波长为0.35~2.5um的各种色光,超过这个范围的色光将被光学玻璃强烈地吸收。特殊熔炼的光学玻璃可以透过特定的波段。光学元件制造商经常在样本中给出所使用的标准光学材料数据。


在透射材料中,各种光学晶体的应用日益广泛。光学晶体的使用能使光学系统工作在比一般光学玻璃更宽的波段范围。此外,光学塑料已能应用于光学系统中,如菲涅尔透镜、自由光学曲面元件、简易照相物镜、放大镜等。这类镜头多用模压或铸塑而成,成本较低,生产效率高,由于热膨胀系数比光学玻璃大,所以还不能用于技术要求高的光学系统中。

光的折射率n,以及F光和C光的折射率n为主要折射特性。这是因为F光和C光接近人眼灵敏光谱区的两端;而D光或d光在它们中间,比较接近于人眼最灵敏的谱线,实际上e光更接近这个波长。

为了设计质量高的光学系统,需要很多种类的光学玻璃。光学玻璃大体上可以分为两大类冕牌玻璃及火石玻璃。每一大类又分为许多种类,如轻冕、冕、磷冕、钡冕、重冕、镧冕、冕火石、轻火石、火石、钡火石、重钡火石、重火石、镧火石、特种火石等。每一个种类的玻璃又分为许多种牌号。

光学玻璃

光学玻璃

2、玻璃的选择

光学设计中重要的一步是核对每种玻璃的参数,包括可用性、价格、投射特性、热特性、污染性等,要确保最优化选择玻璃。

(1)可用性

玻璃分成三类:首先玻璃、标准玻璃和查询玻璃。首先玻璃主要指玻璃存货,标准玻璃指玻璃公司目录中所列出的玻璃品种,查询玻璃值可以订货得到的玻璃品种。

(2)投射性

大多数光学玻璃可以良好投射可见光和近红外区的光。但是,在近紫外区,大部分玻璃都或多或少地吸收光。如果光学系统必须投射紫外光,最常用的材料是熔融二氧化硅和熔融石英。某些重火石光学玻璃,在深蓝波长区有低的投射比,具有微黄的外观。

(3)双折射特性

一般光学玻璃是各向同性的,由于机械和热应力会使之变成各向异性。这意味着光的s和p偏振分量有不同的折射率。高折射率的碱性硅酸铅玻璃在小的应力作用下显示较大的双折射。硼硅酸盐玻璃对应力双折射不是非常灵敏。如果光学系统传输偏振光,必须在整个系统或部分系统中保持偏振状态,则材料的选择是很重要的。例如,在系统附近有热源的较大棱镜,棱镜内可能存在一个温度梯度,它将引入应力双折射,偏振轴将在棱镜内旋转。棱镜材料的较好选择应该是重火石玻璃,而不是冕牌玻璃。

(4)化学稳定性

玻璃给出抵抗环境和化学影响的特性包括:玻璃的抗气候性,主要是抵抗空气中水蒸气影响的耐性;抗污染性,是对非气化弱酸性水影响的抵抗性;当玻璃接触酸性水质时的抗酸性;抗碱性。

(5)热特性

光学玻璃具有正的热膨胀系数,这就是说玻璃随温度升高而膨胀。光学玻璃的热胀冷缩性质应与镜头结构件的热胀冷缩性质尽量相一致;光学系统可能必须被无热化,即在温度变化导致透镜形状和折射率变化时保持系统的光学特性不变;温度变化可能在光学玻璃中产生温度梯度,也能考虑镜筒和透镜间隔圈的膨胀及玻璃材料折射率的变化。

3、塑料光学材料

塑料光学元件与玻璃材料相比,具有较低的质量、较高的抗冲击性,并能提供更多种形状。外形适应性是塑料光学的优点之一。非球面透镜和其他复杂的形状都可以被塑造。

塑料的主要缺点是较低的耐热性。塑料的融化温度比玻璃低,表面耐磨性和抗化学性较差。镀膜的附着性低,因为其融化温度低,薄膜的沉积温度受到限制;塑料透镜上膜层的耐用性也低或寿命短。塑料镀膜可使用离子辅助沉积提供较坚固而耐用的薄膜。

光学塑料材料品种的选择自由度有限,一个重要的限制是热膨胀系数高和折射率温度变化的依赖性强。塑料材料的折射率随温度的升高而减小,变化量大约比玻璃高50倍。塑料的热膨胀系数大约比玻璃高10倍。高质量的光学系统可以用玻璃和塑料透镜的组合来实现设计。

塑料光学元件可以被注塑成型、压塑成型,或者用浇注放入塑料块制造。几种最常用的塑料材料是聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、烯丙基二甘醇碳酸酯和环烯共聚物等。

4、反射光学材

反射光学零件一般是在抛光玻璃表面镀以金属的反射层。反射面不存在色散现象,对于任何色光,其反射角均等于入射角。反射光学材料的唯一特性是反射率。反射面多为用金属材料镀制,不同的金属反射面,有不同的反射特性,即随入射光波长的不同而有不同的反射率。图4.52给出了几种金属材料的反射特性曲线,可以看出不同波段的色光应选取不同的金属材料来镀制反射膜层。


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