Los materiales plásticos y el moldeo por inyección son la base de las lentes miniaturizadas. La estructura de la lente de plástico incluye el material de la lente, el cuerpo de la lente, la montura de la lente, el espaciador, la lámina de sombreado, el material del anillo de presión, etc.

Existen diversos tipos de materiales para lentes de plástico, todos ellos esencialmente plásticos (polímeros de alto peso molecular). Se trata de termoplásticos, plásticos que se ablandan y se vuelven plásticos al calentarse, se endurecen al enfriarse y se ablandan de nuevo al calentarse. Un cambio físico produce una transición reversible entre los estados líquido y sólido mediante calentamiento y enfriamiento. Algunos materiales se inventaron hace tiempo y otros son relativamente nuevos. Algunos son plásticos de uso general, y otros son plásticos ópticos especialmente desarrollados, que se utilizan de forma más específica en determinados campos de la óptica.

En el diseño óptico, podemos observar las distintas calidades de materiales de diversas compañías, como EP8000, K26R, APL5015, OKP-1, etc. Todas pertenecen a un tipo específico de material plástico, y los siguientes tipos son los más comunes. Los clasificaremos según su fecha de aparición:

Las lentes de plástico

• l PMMA/Acrílico:El poli(metacrilato de metilo) (PMMA, por sus siglas en inglés) es un material similar al plexiglás o acrílico. Gracias a su bajo precio, alta transmitancia y gran resistencia mecánica, el PMMA es el sustituto del vidrio más común en la vida cotidiana. La mayoría de los plásticos transparentes, como platos, cucharas y pequeños LED, están hechos de PMMA. La producción en masa de PMMA se remonta a la década de 1930.
• PD:El poliestireno es un termoplástico incoloro y transparente, además de un plástico de ingeniería, cuya producción en masa comenzó en la década de 1930. Muchas de las cajas de espuma blanca y las loncheras que usamos a diario están hechas de poliestireno.
• ORDENADOR PERSONAL:El policarbonato es un termoplástico amorfo, incoloro y transparente, de uso general. Su industrialización comenzó en la década de 1960. Posee una excelente resistencia al impacto y se utiliza comúnmente en cubos dispensadores de agua, gafas protectoras, etc.
• l COP y COC:Polímero de olefina cíclica (COP), polímero de olefina cíclica; copolímero de olefina cíclica (COC) El copolímero de olefina cíclica es un material polimérico transparente amorfo con una estructura de anillo, con enlaces dobles carbono-carbono en el anillo. Los hidrocarburos cíclicos se fabrican a partir de monómeros de olefina cíclica por autopolimerización (COP) o copolimerización (COC) con otras moléculas (como el etileno). Las características del COP y del COC son casi idénticas. Este material es relativamente nuevo. Cuando se inventó por primera vez, se consideró principalmente para algunas aplicaciones relacionadas con la óptica. Ahora se utiliza ampliamente en las industrias de películas, lentes ópticas, pantallas y médica (botellas de embalaje). El COP completó la producción industrial alrededor de 1990, y el COC completó la producción industrial antes del año 2000.
• l O-PET:La fibra óptica de poliéster, O-PET, se comercializó en Osaka en la década de 2010.

Al analizar un material óptico, nos interesan principalmente sus propiedades ópticas y mecánicas.

Óptico ppropiedades

• Índice de refracción y dispersión

Índice de refracción y dispersión

Como se puede observar en este diagrama resumen, los distintos materiales plásticos ópticos se dividen básicamente en dos intervalos: un grupo con alto índice de refracción y alta dispersión, y otro con bajo índice de refracción y baja dispersión. Al comparar el rango de índice de refracción y dispersión de los materiales de vidrio, se observa que el rango de índice de refracción de los materiales plásticos es muy limitado, y todos los materiales plásticos ópticos presentan un índice de refracción relativamente bajo. En general, la gama de opciones para los materiales plásticos es reducida, existiendo solo entre 10 y 20 grados comerciales, lo que limita considerablemente la libertad de diseño óptico en cuanto a materiales.

El índice de refracción varía con la longitud de onda: El índice de refracción de los materiales plásticos ópticos aumenta con la longitud de onda, disminuye ligeramente y, en general, se mantiene relativamente estable.

El índice de refracción varía con la temperatura (dn/dT): el coeficiente de temperatura del índice de refracción de los plásticos ópticos es entre 6 y 50 veces mayor que el del vidrio, un valor negativo, lo que significa que a medida que aumenta la temperatura, el índice de refracción disminuye. Por ejemplo, para una longitud de onda de 546 nm, entre -20 °C y 40 °C, el valor de dn/dT del material plástico es de -8 a -15 × 10⁻⁵/°C, mientras que, en contraste, el valor del material de vidrio NBK7 es de 3 × 10⁻⁶/°C.

• Transmitancia

La transmitancia

Como se observa en la imagen, la mayoría de los plásticos ópticos presentan una transmitancia superior al 90 % en el espectro de luz visible; además, tienen una buena transmitancia en las bandas infrarrojas de 850 nm y 940 nm, comunes en la electrónica de consumo. La transmitancia de los materiales plásticos disminuye con el tiempo. Esto se debe principalmente a que el plástico absorbe los rayos ultravioleta del sol, lo que provoca la ruptura de la cadena molecular, su degradación y reticulación, y, en consecuencia, cambios en sus propiedades físicas y químicas. La manifestación macroscópica más evidente es el amarilleamiento del material plástico.

• Birrefringencia de tensión

Refracción de la lente

La birrefringencia por tensión (birrefringencia) es una propiedad óptica de los materiales. El índice de refracción de los materiales está relacionado con el estado de polarización y la dirección de propagación de la luz incidente. Los materiales presentan diferentes índices de refracción para distintos estados de polarización. En algunos sistemas, esta desviación del índice de refracción es muy pequeña y no tiene un gran impacto, pero en ciertos sistemas ópticos especiales, esta desviación es suficiente para causar una degradación significativa del rendimiento del sistema.

Los materiales plásticos en sí mismos no presentan anisotropía, pero el moldeo por inyección de plásticos introduce birrefringencia por tensión. La razón principal es la tensión generada durante el moldeo por inyección y la disposición de las macromoléculas de plástico tras el enfriamiento. La tensión se concentra generalmente cerca del punto de inyección, como se muestra en la figura siguiente.

El principio general de diseño y producción consiste en minimizar la birrefringencia por tensión en el plano óptico efectivo, lo que requiere un diseño adecuado de la estructura de la lente, el molde de inyección y los parámetros de producción. Entre los diversos materiales, los de PC son más propensos a la birrefringencia por tensión (aproximadamente 10 veces mayor que los de PMMA), mientras que los de COP, COC y PMMA presentan una birrefringencia por tensión menor.