プラスチック材料と射出成形は、小型レンズの基本技術です。プラスチックレンズの構造は、レンズ材料、レンズ鏡筒、レンズマウント、スペーサー、遮光板、圧力リング材料などから構成されます。

プラスチックレンズのレンズ材料にはいくつかの種類があり、いずれも基本的にプラスチック（高分子ポリマー）です。これらは熱可塑性樹脂であり、加熱すると軟化して可塑性になり、冷却すると硬化し、再び加熱すると軟化します。加熱と冷却によって液体と固体の間で可逆的な変化を起こす物理変化です。材料の中には古くからあるものもあれば、比較的新しいものもあります。汎用的な用途向けのプラスチックもあれば、特定の光学分野でより特化して使用される、特別に開発された光学用プラスチック材料もあります。

光学設計においては、EP8000、K26R、APL5015、OKP-1など、様々なメーカーの材料グレードを目にすることがあります。これらはすべて特定の種類のプラスチック材料に属し、以下の種類はより一般的です。ここでは、登場時期順に並べていきます。

プラスチックレンズ

• l PMMA/アクリル:ポリ(メタクリル酸メチル)、ポリメタクリル酸メチル(プレキシガラス、アクリル)。低価格、高い透過率、高い機械的強度のため、PMMAは日常生活で最も一般的なガラス代替品です。透明なプラスチックのほとんどはPMMAで作られており、透明な皿、透明なスプーン、小型LEDレンズなどが含まれます。PMMAは1930年代から大量生産されています。
• 追伸：ポリスチレンは、無色透明の熱可塑性樹脂であり、エンジニアリングプラスチックの一種で、1930年代に大量生産が開始されました。私たちの生活の中でよく見かける白い発泡スチロール製の箱や弁当箱の多くは、ポリスチレン素材で作られています。
• PC:ポリカーボネートは、無色透明の非晶質熱可塑性樹脂であり、汎用プラスチックの一種です。工業化されたのは1960年代になってからです。PC素材は耐衝撃性に優れており、一般的な用途としては、給水器のバケツやゴーグルなどが挙げられます。
• l COP & COC:環状オレフィンポリマー（COP）、環状オレフィンポリマー、環状オレフィンコポリマー（COC） 環状オレフィンコポリマーは、環状構造を持ち、環状内に炭素-炭素二重結合を有する非晶質の透明なポリマー材料です。環状炭化水素は、環状オレフィンモノマーから、自己重合（COP）または他の分子（エチレンなど）との共重合（COC）によって作られます。COPとCOCの特性はほぼ同じです。この材料は比較的新しいものです。最初に発明されたときは、主に光学関連の用途が検討されていました。現在では、フィルム、光学レンズ、ディスプレイ、医療（包装ボトル）産業で広く使用されています。COPは1990年頃に工業生産が完了し、COCは2000年以前に工業生産が完了しました。
• l O-PET:光学ポリエステル繊維であるO-PETは、2010年代に大阪で商品化された。

光学材料を分析する際には、主にその光学特性と機械的特性に着目します。

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• 屈折率と分散

屈折率と分散

この概要図から、異なる光学プラスチック材料は基本的に2つのグループに分類されることがわかります。1つは高屈折率・高分散のグループ、もう1つは低屈折率・低分散のグループです。ガラス材料の屈折率と分散の選択肢の範囲と比較すると、プラスチック材料の屈折率の選択肢の範囲は非常に狭く、すべての光学プラスチック材料は比較的低い屈折率であることがわかります。一般的に、プラスチック材料の選択肢の範囲は狭く、市販されている材料グレードは10～20種類程度しかないため、材料の面で光学設計の自由度が大きく制限されます。

屈折率は波長によって変化します。光学プラスチック材料の屈折率は波長とともに増加し、屈折率はわずかに減少し、全体的には比較的安定しています。

屈折率は温度によって変化します。Dn/DT: 光学プラスチックの屈折率の温度係数は、ガラスの6倍から50倍大きく、負の値です。これは、温度が上昇すると屈折率が低下することを意味します。たとえば、波長546nm、-20℃から40℃の場合、プラスチック材料のdn/dT値は-8から-15×10^–5/℃ですが、対照的に、ガラス材料NBK7の値は3×10^–6/℃です。

• 透過率

透過率

この図を参照すると、ほとんどの光学プラスチックは可視光帯域で90%以上の透過率を持ち、民生用電子機器でよく使用される850nmと940nmの赤外線帯域でも良好な透過率を示します。プラスチック材料の透過率は、時間の経過とともに一定程度低下します。主な理由は、プラスチックが太陽光の紫外線を吸収し、分子鎖が切断されて劣化・架橋し、物理的および化学的性質が変化するためです。最も顕著な肉眼的な変化は、プラスチック材料の黄変です。

• 応力複屈折

レンズの屈折

応力複屈折（複屈折）は、材料の光学特性の一つです。材料の屈折率は、入射光の偏光状態と伝搬方向に関係しています。材料は、偏光状態によって異なる屈折率を示します。システムによっては、この屈折率のずれは非常に小さく、システムに大きな影響を与えませんが、特殊な光学システムでは、このずれがシステムの性能を著しく低下させる原因となる場合があります。

プラスチック材料自体には異方性はありませんが、射出成形によって応力複屈折が生じます。主な原因は、射出成形時に発生する応力と、冷却後のプラスチック高分子の配列です。応力は一般的に射出口付近に集中します（下図参照）。

一般的な設計および製造原理は、光学的有効面における応力複屈折を最小限に抑えることであり、そのためにはレンズ構造、射出成形金型、および製造パラメータの適切な設計が必要となる。いくつかの材料の中で、PC材料は応力複屈折を起こしやすく（PMMA材料の約10倍）、COP、COC、およびPMMA材料は応力複屈折が低い。