Kunststofmaterialen en spuitgieten vormen de basis voor geminiaturiseerde lenzen. De structuur van een kunststoflens omvat lensmateriaal, lensvatting, lensvatting, afstandsstuk, afschermingslaag, materiaal van de drukring, enzovoort.

Er bestaan ​​verschillende soorten lensmaterialen voor kunststof lenzen, die in essentie allemaal plastic zijn (een polymeer met een hoog moleculair gewicht). Het zijn thermoplasten, kunststoffen die zacht worden en plastisch worden bij verhitting, hard worden bij afkoeling en weer zacht worden bij verhitting. Het is een fysische verandering die een omkeerbare overgang tussen vloeibare en vaste toestand teweegbrengt door verhitting en afkoeling. Sommige materialen zijn al langer bekend, andere zijn relatief nieuw. Sommige zijn kunststoffen voor algemene toepassingen, terwijl andere speciaal ontwikkelde optische kunststoffen zijn, die meer specifiek worden gebruikt in bepaalde optische toepassingen.

Bij optisch ontwerp zien we vaak materiaalkwaliteiten van verschillende bedrijven, zoals EP8000, K26R, APL5015, OKP-1 enzovoort. Ze behoren allemaal tot een bepaald type kunststof. De volgende typen komen het meest voor en we zullen ze sorteren op basis van de periode waarin ze zijn verschenen:

De plastic lenzen

• l PMMA/Acryl:Polymethylmethacrylaat (PMMA), ook bekend als plexiglas of acryl. Door de lage prijs, hoge lichtdoorlatendheid en hoge mechanische sterkte is PMMA het meest gebruikte glasvervanger. De meeste transparante kunststoffen zijn gemaakt van PMMA, zoals transparante borden, transparante lepels en kleine LED-lenzen. PMMA wordt al sinds de jaren 30 van de vorige eeuw op grote schaal geproduceerd.
• PS:Polystyreen is een kleurloze en transparante thermoplast, tevens een technische kunststof, waarvan de massaproductie in de jaren 30 van de vorige eeuw begon. Veel van de witte schuimrubberen dozen en lunchboxen die we dagelijks gebruiken, zijn gemaakt van PS-materiaal.
• PC:Polycarbonaat is een kleurloze en transparante amorfe thermoplast en een veelgebruikte kunststof. De industriële productie ervan begon pas in de jaren 60. Polycarbonaat heeft een zeer goede slagvastheid en wordt veel gebruikt voor bijvoorbeeld waterdispensers en veiligheidsbrillen.
• l COP & COC:Cyclisch olefinepolymeer (COP), cyclisch olefinepolymeer; cyclisch olefinecopolymeer (COC). Een cyclisch olefinecopolymeer is een amorf, transparant polymeermateriaal met een ringstructuur, met koolstof-koolstof dubbele bindingen in de ring. De cyclische koolwaterstoffen worden gevormd uit cyclische olefinemonomeren door zelfpolymerisatie (COP) of copolymerisatie (COC) met andere moleculen (zoals ethyleen). De eigenschappen van COP en COC zijn vrijwel gelijk. Dit materiaal is relatief nieuw. Toen het voor het eerst werd ontwikkeld, werd het voornamelijk overwogen voor optische toepassingen. Nu wordt het veelvuldig gebruikt in de film-, optische lenzen-, beeldscherm- en medische industrie (verpakkingsflessen). De industriële productie van COP werd rond 1990 voltooid en die van COC vóór 2000.
• l O-PET:Optische polyestervezel, oftewel O-PET, werd in de jaren 2010 in Osaka op de markt gebracht.

Bij de analyse van een optisch materiaal houden we ons vooral bezig met de optische en mechanische eigenschappen ervan.

Optische ptouwen

• Brekingsindex en dispersie

Brekingsindex en dispersie

Uit dit overzichtsdiagram blijkt dat verschillende optische kunststoffen grofweg in twee categorieën vallen: de ene groep heeft een hoge brekingsindex en een hoge dispersie, de andere een lage brekingsindex en een lage dispersie. Vergeleken met het keuzebereik van brekingsindex en dispersie van glas, zien we dat het keuzebereik van de brekingsindex van kunststoffen zeer beperkt is en dat alle optische kunststoffen een relatief lage brekingsindex hebben. Over het algemeen is het aanbod aan kunststoffen beperkter, met slechts zo'n 10 tot 20 commercieel verkrijgbare materiaalkwaliteiten, wat de ontwerpvrijheid op het gebied van materialen aanzienlijk beperkt.

De brekingsindex varieert met de golflengte: De brekingsindex van optische kunststoffen neemt toe met de golflengte, neemt vervolgens licht af en blijft over het algemeen relatief stabiel.

De brekingsindex verandert met de temperatuur (Dn/dT): De temperatuurcoëfficiënt van de brekingsindex van optische kunststoffen is 6 tot 50 keer groter dan die van glas. Dit is een negatieve waarde, wat betekent dat de brekingsindex afneemt naarmate de temperatuur stijgt. Bijvoorbeeld, voor een golflengte van 546 nm, is de dn/dT-waarde van het kunststofmateriaal bij temperaturen van -20 °C tot 40 °C -8 tot -15 x 10⁻⁵ / °C, terwijl de waarde voor het glasmateriaal NBK7 daarentegen 3 x 10⁻⁶ / °C bedraagt.

• Transmissie

De transmissie

Zoals op deze afbeelding te zien is, hebben de meeste optische kunststoffen een lichtdoorlatendheid van meer dan 90% in het zichtbare spectrum. Ze hebben ook een goede doorlatendheid voor de infraroodbanden van 850 nm en 940 nm, die veel voorkomen in consumentenelektronica. De lichtdoorlatendheid van kunststoffen neemt na verloop van tijd echter tot op zekere hoogte af. Dit komt voornamelijk doordat het plastic de ultraviolette straling van de zon absorbeert, waardoor de moleculaire ketens breken, degraderen en crosslinken. Dit resulteert in veranderingen in de fysische en chemische eigenschappen. De meest zichtbare macroscopische manifestatie hiervan is de vergeling van het plastic.

• Spanningsdubbelbreking

Lensbreking

Spanningsbirefringentie (dubbele breking) is een optische eigenschap van materialen. De brekingsindex van materialen is gerelateerd aan de polarisatietoestand en de voortplantingsrichting van invallend licht. Materialen vertonen verschillende brekingsindices voor verschillende polarisatietoestanden. Voor sommige systemen is deze afwijking in de brekingsindex erg klein en heeft deze geen grote invloed op het systeem, maar voor sommige speciale optische systemen is deze afwijking voldoende om de prestaties van het systeem ernstig te verslechteren.

Kunststoffen zelf hebben geen anisotrope eigenschappen, maar spuitgieten van kunststoffen introduceert spanningsbirefringentie. De belangrijkste oorzaak hiervan is de spanning die tijdens het spuitgieten ontstaat en de rangschikking van de macromoleculen in het plastic na afkoeling. De spanning is over het algemeen geconcentreerd nabij de injectieopening, zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding.

Het algemene ontwerp- en productieprincipe is het minimaliseren van de spanningsbirefringentie in het optische effectieve vlak. Dit vereist een redelijk ontwerp van de lensstructuur, de spuitgietmatrijs en de productieparameters. Van de verschillende materialen zijn PC-materialen gevoeliger voor spanningsbirefringentie (ongeveer 10 keer groter dan PMMA-materialen), terwijl COP-, COC- en PMMA-materialen een lagere spanningsbirefringentie vertonen.