光学材料特性介绍ppt课件

1、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。 2.2 LENS 的基本觀念,2,1.1 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,3,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

2、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,4,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

3、後玻璃LENS,5,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 (Polymethyl

4、 methacrylate) 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

5、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 (Columbia Resin 39) 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

6、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,COP COC (Cyclo-Olefin polymers/copolymer) 環烯烴共聚合物 COC COP 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，

7、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,光學材料的種類,12,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 ( Abbe Number) 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 ( Refration Index ) 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 Ernst Abbe (1840

8、-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, Abbe Number越大, 表示系統越不容易產生色散。,13,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,14,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

9、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 ordinary light，沿快軸偏振光稱 extraordinary light，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,16,光學材料的特性簡介,17,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

10、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: Melt Flow Index MI: Melt Index MFR: Melt Flow Rate,光學材料的特性簡介,18,光學材料的特性簡介,19,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,20,LENS 的基本觀念,21,LENS 的基本觀念,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