光学材料特性介绍.ppt

光學材料的應用及特性介紹,1,2,目錄,光學材料的基本概念1.1何謂光學材料？1.2光學材料的分類。1.3各種塑膠光學材料的介紹。光學材料的特性及應用。2.1光學材料的特性簡介。2.2LENS的基本觀念,3,1.1何謂光學材料？光學材料是指具有一定的光學性能-透光性和均勻性，可用於製造光學元件的材料上使用。1.2光學材料的種類?目前有分為天然材料、坡璃、塑膠、三大類。,光學材料的基本概念,光學材料的種類,天然材料:最常用的是水晶鏡片，它是由石英礦研磨而成的，主要成分有二氧化矽,純水晶主要分類有兩種一種是無色鏡片，二氧化矽純度較高，另一種是茶色鏡片，因含有其他元素而顯示出不同的顏色，大大減少了可見光的穿透率。優點:材料硬度大，不易磨損。缺點:不能完全吸收短波紫外線，不能減少紅外線的穿透率，材料密度不均勻，若含有雜質會出現條紋和氣泡，進而引起雙折射現象，不易成像。,4,石英礦,光學材料的種類,玻璃材質：光學玻璃是用高純度矽、硼、鈉、鉀、鋅、鉛、鎂、鈣、鋇等的氧化物按特定配方混合,在白金坩堝中高溫融化,用超聲波攪拌均勻,去氣泡；然後經長時間緩慢地降溫，以免玻璃塊產生內應力。冷卻後的玻璃塊，必須經過光學儀器測量，檢驗純度、透明度、均勻度、折射率和色散率是否合規格。合格的玻璃塊經過加熱鍛壓，成光學玻璃。,5,光學玻璃,研磨後玻璃LENS,模造玻璃的製造過程,6,光學鏡片相關製程,7,光學材料的種類,光學塑膠：光學材料中塑膠材質佔了相當大的比重，例如PMMA、PC、mCOC等都是經常被應用到的,透明性塑膠；使用光學級塑膠材料所製程的光學元件，不但具有重量輕、耐衝擊性佳、成本低廉、適合大量生產等優點，而且可以成型複雜形狀及微小特殊形狀的光學元件，也可以將多項零組件設計成一體成型，可大幅節省後續的二次加工成本。,8,光學材料的種類,目前光學塑膠材的種有百種以上，然而真正工業化生產的僅有十種。常的光學塑膠有PMMA、PC、PS、CR39、mCOC等，有關其特性如下：(1)PMMA(Polymethylmethacrylate)PMMA俗稱壓克，折射1.492，阿貝數57。缺點:吸水性大比其它光學材料大，故隨著溫環境的變其尺寸及折射變化較大，因此在高精的光系系統上，其用途有一定程的限制。優點：全光線穿透92%以上。與其它塑膠原比較，具有與光學玻璃同等優的透明性，而且成型後表面硬高，括傷。耐紫外光性能優異，在射出成型時發生雙折射現象較少。(2)PC(Polycarbonate)PC材有高的韌性及高折射折射1.586，阿貝數34。缺點:成形的鏡片表面較刮傷，因此常用在光學系統的內部件，以避免與外界直接接觸。優點:溫適應能強，可耐熱至120，所以能在較寬的溫範圍內保證光學系統的品質。,9,光學材料的種類,(3)PS(Polystyrene)PS是光學材中折射最高的，折射率1.59，阿貝數31。缺點：不耐衝擊,韌性不夠易碎裂,成型鏡片後表面易刮傷不耐擦拭表面容易霧化。優點：在光學設計時可使鏡片曲較大且厚薄比設計。且光學設計常需要幾片折射同的透鏡，校正球面鏡片產生的像差。因此，PS可與PMMA或其他光學塑膠搭配，消除光學系統中的像差和色差。(4)CR39(ColumbiaResin39)CR39為熱固性塑膠，折射1.485。缺點:但使用此材的成型耗費時間較長，且硬化收縮比大至13%，因此適用於精密的光學系統。優點：且耐摩耗與耐藥品性佳，容染色，具有好的光學性，一般廣泛使用於眼鏡的鏡片。,10,光學材料的種類,COPCOC(Cyclo-Olefinpolymers/copolymer)環烯烴共聚合物COCCOP材是近十發展的新材，其具有高透明性、低收縮、低雙折射、高耐熱性、耐化學性等優特性，可應用於光學產品、電子件、生醫產品等用途，其特性如下:密度小,比PMMA和PC約低10%,有利於製品的輕量化。吸水率小,COC吸水率遠低於PMMA,不會產生因吸水導致於物性下降的影響。COC由於含有極性和異向性小的單體，因而為非晶型透明材料，且雙折射率小。屬於高耐熱性透明樹酯，玻璃轉化溫度達140-170。容易射出成型、機械性能優異、拉伸強度。優良的複製性，製品品質較為一致。介電常數低，鉛筆硬度與PMMA相近。(耐擦傷性是光學材料的一個重要的性能指標)。,11,12,光學材料的種類,光學材料的特性簡介,目前光學材料中材料的優劣取決於下列幾個數值。阿貝數(AbbeNumber)是用來評估一個光學系統色散能力好壞的數值他和折射率(RefrationIndex)可以說是光學設計上兩大重要的參數簡單的說.就是不同頻率的光線對同一個光學系統而言,會有不一樣的折射率,這就是色散的來源.為了評估色散問題,德國的科學家ErnstAbbe(1840-1905)就定義了系統在三個波長下光線的折射率分別為859.2nm,486.1nm,656.3nm時的折射率並定義了下面那個公式來評估這折射率差一般來說,AbbeNumber越大,表示系統越不容易產生色散。,13,14,折射率光在空氣中的速度與光在該材料中的速度之比率。材料的折射率越高，使入射光發生折射的能力越強。折射率越高，鏡片越薄，即鏡片中心厚度相同，相同度數同種材料，折射率高的比折射率低的鏡片邊緣更薄。,光學材料的特性簡介,光學材料的特性簡介,15,(複)雙折射率光在各向同性(isotropic)介質中(ex.水、玻璃)，光將沿折射定律所定的方向傳播。但在各向異性(anisotropic)的介質會有一條光線被折射成二條光線的光學雙折射現象。雙折射晶體內存在二個軸，互相正交。一為快軸，一為慢軸。光入射於晶體時會被分解為沿這二個軸偏振的光-沿慢軸偏振光稱ordinarylight，沿快軸偏振光稱extraordinarylight，而這二分解的光會以不同的速度前進（因為沿這二個軸方向的折射率不等，n快軸n慢軸）A如果入射光與晶體面有一定的角度，則這二個分解的光的折射角也會不同，形成雙折射現象。,16,光學材料的特性簡介,17,光學材料的特性簡介,18,流動性塑膠的熔融指數又稱熔体指數，是指在一定的荷種(Kg)及溫度(C)下，一定時間(10分鐘)經過一定直徑的管子所流出來的融膠重量(克數)。MI值越大，表示塑膠的流動性越佳；反之，則流動性越差。MFI:MeltFlowIndexMI:MeltIndexMFR:MeltFlowRate,光學材料的特性簡介,19,光學材料的特性簡介,內應力,20,在固體形成中因受各種因素影響，造成有殘留應力存在於材料內部。導致材料於受熱、冷卻或工作操作時，會有不良的結果。此應力與作用外力無關。,光學材料的特性簡介,3mm厚度正交偏光鏡觀察的結果,LENS的基本觀念,21,22,LENS的基本觀念,23,LENS的基本觀念,24,LENS的基本觀念,25,LENS的基本觀念,26,LENS的基本觀念,27,