I materiali plastici e lo stampaggio a iniezione sono alla base della miniaturizzazione delle lenti. La struttura di una lente in plastica comprende il materiale della lente, il barilotto, l'attacco, il distanziatore, la pellicola protettiva, il materiale dell'anello di pressione, ecc.

Esistono diversi tipi di materiali per lenti in plastica, tutti essenzialmente plastici (polimeri ad alto peso molecolare). Si tratta di termoplastici, ovvero plastiche che si ammorbidiscono e diventano plastiche quando riscaldate, si induriscono quando raffreddate e si ammorbidiscono nuovamente quando riscaldate. Il riscaldamento e il raffreddamento producono una trasformazione fisica che produce un cambiamento reversibile tra lo stato liquido e quello solido. Alcuni materiali sono stati inventati tempo fa, altri sono relativamente nuovi. Alcuni sono plastiche di uso generale, mentre altri sono plastiche ottiche sviluppate specificamente per determinati settori dell'ottica.

Nella progettazione ottica, possiamo trovare diverse tipologie di materiali di varie aziende, come EP8000, K26R, APL5015, OKP-1 e così via. Appartengono tutte a una specifica tipologia di materiale plastico, e le seguenti tipologie sono le più comuni, che classificheremo in base al periodo di comparsa sul mercato:

Le lenti di plastica

• l PMMA/Acrilico:Polimetilmetacrilato (PMMA), polimetilmetacrilato (plexiglass, acrilico). Grazie al suo prezzo contenuto, all'elevata trasparenza e all'alta resistenza meccanica, il PMMA è il sostituto del vetro più comune nella vita di tutti i giorni. La maggior parte delle plastiche trasparenti è realizzata in PMMA, come piatti trasparenti, cucchiai trasparenti e piccole lenti a LED, ecc. Il PMMA viene prodotto in serie fin dagli anni '30.
• PS:Il polistirene è un materiale termoplastico incolore e trasparente, nonché una plastica tecnica, la cui produzione di massa è iniziata negli anni '30. Molte delle scatole di polistirolo bianco e dei contenitori per il pranzo che usiamo quotidianamente sono realizzati in polistirene.
• PC:Il policarbonato, o policarbonato, è un materiale termoplastico amorfo, incolore e trasparente, nonché una plastica di uso generale. La sua produzione è stata industrializzata solo negli anni '60. Il policarbonato possiede un'ottima resistenza agli urti e viene comunemente utilizzato per la produzione di secchi per distributori d'acqua, occhialini e altro ancora.
• l COP & COC:Polimero di olefine cicliche (COP), polimero di olefine cicliche; copolimero di olefine cicliche (COC). Il copolimero di olefine cicliche è un materiale polimerico trasparente amorfo con una struttura ad anello, con doppi legami carbonio-carbonio nell'anello. Gli idrocarburi ciclici sono ottenuti da monomeri di olefine cicliche mediante autopolimerizzazione (COP) o copolimerizzazione (COC) con altre molecole (come l'etilene). Le caratteristiche di COP e COC sono quasi identiche. Questo materiale è relativamente nuovo. Quando fu inventato, era considerato principalmente per alcune applicazioni ottiche. Ora è ampiamente utilizzato nell'industria cinematografica, delle lenti ottiche, dei display e medica (confezionamento di flaconi). La produzione industriale di COP è stata completata intorno al 1990, mentre quella di COC prima del 2000.
• l O-PET:La fibra di poliestere ottica, O-PET, è stata commercializzata a Osaka negli anni 2010.

Nell'analisi di un materiale ottico, ci interessano principalmente le sue proprietà ottiche e meccaniche.

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• Indice di rifrazione e dispersione

Indice di rifrazione e dispersione

Come si può osservare da questo diagramma riassuntivo, i diversi materiali plastici ottici si dividono sostanzialmente in due gruppi: un gruppo caratterizzato da un alto indice di rifrazione e un'elevata dispersione; l'altro gruppo caratterizzato da un basso indice di rifrazione e una bassa dispersione. Confrontando la gamma di valori possibili per l'indice di rifrazione e la dispersione dei materiali vetrosi, si nota che la gamma di valori possibili per i materiali plastici è molto ristretta, e tutti i materiali plastici ottici presentano un indice di rifrazione relativamente basso. In generale, la gamma di opzioni per i materiali plastici è più limitata, con solo una decina o ventina di gradi di materiale disponibili in commercio, il che limita notevolmente la libertà di progettazione ottica in termini di materiali.

L'indice di rifrazione varia con la lunghezza d'onda: l'indice di rifrazione dei materiali plastici ottici aumenta con la lunghezza d'onda, l'indice di rifrazione diminuisce leggermente e nel complesso è relativamente stabile.

Variazioni dell'indice di rifrazione con la temperatura Dn/DT: Il coefficiente di temperatura dell'indice di rifrazione delle materie plastiche ottiche è da 6 a 50 volte maggiore di quello del vetro, che è un valore negativo, il che significa che all'aumentare della temperatura, l'indice di rifrazione diminuisce. Ad esempio, per una lunghezza d'onda di 546 nm, da -20 °C a 40 °C, il valore dn/dT del materiale plastico è da -8 a -15 x 10⁻⁵/°C, mentre, al contrario, il valore del materiale vetroso NBK7 è 3 x 10⁻⁶/°C.

• trasmissione

La trasmittanza

Facendo riferimento a questa immagine, la maggior parte delle plastiche ottiche ha una trasmittanza superiore al 90% nella banda della luce visibile; presentano inoltre una buona trasmittanza per le bande infrarosse di 850 nm e 940 nm, comuni nell'elettronica di consumo. La trasmittanza dei materiali plastici diminuisce anche in una certa misura nel tempo. La ragione principale è che la plastica assorbe i raggi ultravioletti del sole, provocando la rottura delle catene molecolari, la degradazione e la reticolazione, con conseguenti cambiamenti nelle proprietà fisiche e chimiche. La manifestazione macroscopica più evidente è l'ingiallimento del materiale plastico.

• Birifrangenza dello stress

Rifrazione della lente

La birifrangenza da stress (birifrangenza) è una proprietà ottica dei materiali. L'indice di rifrazione dei materiali è correlato allo stato di polarizzazione e alla direzione di propagazione della luce incidente. I materiali presentano indici di rifrazione diversi per stati di polarizzazione differenti. Per alcuni sistemi, questa deviazione dell'indice di rifrazione è molto piccola e non ha un grande impatto sul sistema, ma per alcuni sistemi ottici specifici, questa deviazione è sufficiente a causare un grave degrado delle prestazioni del sistema.

I materiali plastici di per sé non presentano caratteristiche anisotrope, ma lo stampaggio a iniezione delle materie plastiche introduce birifrangenza da stress. La ragione principale risiede nello stress introdotto durante lo stampaggio a iniezione e nella disposizione delle macromolecole plastiche dopo il raffreddamento. Lo stress è generalmente concentrato in prossimità del punto di iniezione, come mostrato nella figura seguente.

Il principio generale di progettazione e produzione consiste nel minimizzare la birifrangenza da stress nel piano ottico effettivo, il che richiede una progettazione accurata della struttura della lente, dello stampo a iniezione e dei parametri di produzione. Tra i vari materiali, i materiali in policarbonato (PC) sono più soggetti a birifrangenza da stress (circa 10 volte maggiore rispetto ai materiali in PMMA), mentre i materiali in COP, COC e PMMA presentano una birifrangenza da stress inferiore.