光学材料特性介绍.ppt

光學材料的應用及特性介紹 1 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 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 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 光學玻璃 研磨後玻璃LENS 模造玻璃的製造過程 光學鏡片相關製程 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 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 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 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 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 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 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 光學材料的特性簡介 光學材料的特性簡介 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 光學材料的特性簡介 內應力 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 LENS的基本觀念 LENS的基本觀念 LENS的基本觀念 LENS的基本觀念 LENS的基本觀念 LENS的基本觀念