Tworzywa sztuczne i formowanie wtryskowe stanowią podstawę miniaturyzacji soczewek. Struktura soczewki z tworzywa sztucznego obejmuje materiał soczewki, tubus soczewki, mocowanie soczewki, przekładkę, folię zacieniającą, materiał pierścienia dociskowego itp.

Istnieje kilka rodzajów materiałów na soczewki plastikowe, z których wszystkie są zasadniczo tworzywami sztucznymi (polimerami wysokocząsteczkowymi). Są to tworzywa termoplastyczne, czyli takie, które miękną i stają się plastyczne po podgrzaniu, twardnieją po schłodzeniu i miękną po ponownym podgrzaniu. Jest to fizyczna przemiana, która powoduje odwracalną zmianę stanu skupienia między cieczą a ciałem stałym poprzez ogrzewanie i chłodzenie. Niektóre materiały zostały wynalezione wcześniej, a inne są stosunkowo nowe. Niektóre to tworzywa sztuczne ogólnego zastosowania, a inne to specjalnie opracowane tworzywa optyczne, wykorzystywane w określonych dziedzinach optyki.

W projektowaniu optycznym możemy spotkać się z gatunkami materiałów różnych firm, takich jak EP8000, K26R, APL5015, OKP-1 itd. Wszystkie należą do określonego rodzaju tworzywa sztucznego, a poniższe typy są bardziej powszechne i posortujemy je według czasu pojawienia się:

Soczewki plastikowe

• l PMMA/Akryl:Poli(metakrylan metylu), polimetakrylan metylu (pleksi, akryl). Ze względu na niską cenę, wysoką przepuszczalność światła i wysoką wytrzymałość mechaniczną, PMMA jest najpopularniejszym zamiennikiem szkła. Większość przezroczystych tworzyw sztucznych, takich jak przezroczyste płytki, przezroczyste łyżeczki i małe diody LED, soczewki itp., jest wykonana z PMMA. PMMA jest produkowany masowo od lat 30. XX wieku.
• PS:Polistyren to bezbarwny i przezroczysty termoplast, a także tworzywo sztuczne o właściwościach konstrukcyjnych, którego masową produkcję rozpoczęto w latach 30. XX wieku. Wiele powszechnie spotykanych w naszym życiu białych pudełek piankowych i pudełek na lunch jest wykonanych z polistyrenu.
• Komputer:Poliwęglan to bezbarwny i przezroczysty, amorficzny termoplast, który jest tworzywem sztucznym ogólnego zastosowania. Został on wprowadzony na rynek dopiero w latach 60. XX wieku. Odporność na uderzenia materiału PC jest bardzo dobra, a jego typowe zastosowania obejmują wiadra do dystrybutorów wody, gogle itp.
• l COP i COC:Cykliczny polimer olefinowy (COP), Cykliczny polimer olefinowy; Cykliczny kopolimer olefinowy (COC) Cykliczny kopolimer olefinowy jest amorficznym przezroczystym materiałem polimerowym o strukturze pierścieniowej, z podwójnymi wiązaniami węgiel-węgiel w pierścieniu. Cykliczne węglowodory są wytwarzane z cyklicznych monomerów olefinowych przez samopolimeryzację (COP) lub kopolimeryzację (COC) z innymi cząsteczkami (takimi jak etylen). Charakterystyki COP i COC są prawie takie same. Materiał ten jest stosunkowo nowy. Kiedy został wynaleziony, był głównie brany pod uwagę do niektórych zastosowań związanych z optyką. Teraz jest szeroko stosowany w przemyśle filmowym, soczewkowym, wyświetlaczach, medycznym (butelki opakowaniowe). Produkcja przemysłowa COP została zakończona około 1990 r., a COC przed 2000 r.
• l O-PET:Włókno poliestrowe optyczne O-PET zostało wprowadzone na rynek w Osace w latach 2010-tych.

Analizując materiały optyczne, skupiamy się głównie na ich właściwościach optycznych i mechanicznych.

Optyczny pnieruchomości

• Współczynnik załamania światła i dyspersja

Współczynnik załamania światła i dyspersja

Z tego schematu podsumowującego wynika, że ​​różne materiały z tworzyw sztucznych do zastosowań optycznych zasadniczo dzielą się na dwa przedziały: jeden o wysokim współczynniku załamania światła i wysokiej dyspersji; drugi o niskim współczynniku załamania światła i niskiej dyspersji. Porównując opcjonalny zakres współczynnika załamania światła i dyspersji materiałów szklanych, zauważymy, że opcjonalny zakres współczynnika załamania światła tworzyw sztucznych jest bardzo wąski, a wszystkie materiały z tworzyw sztucznych do zastosowań optycznych charakteryzują się stosunkowo niskim współczynnikiem załamania światła. Ogólnie rzecz biorąc, wybór materiałów z tworzyw sztucznych jest węższy i dostępnych jest jedynie około 10–20 gatunków, co znacznie ogranicza swobodę projektowania układów optycznych pod względem materiałów.

Współczynnik załamania światła zmienia się w zależności od długości fali: współczynnik załamania światła w materiałach z tworzyw sztucznych optycznych rośnie wraz z długością fali, współczynnik załamania światła nieznacznie maleje, a ogólna wartość jest stosunkowo stabilna.

Współczynnik załamania światła zmienia się wraz z temperaturą (Dn/DT): Temperaturowy współczynnik załamania światła tworzyw sztucznych optycznych jest od 6 do 50 razy większy niż szkła, co jest wartością ujemną, co oznacza, że ​​wraz ze wzrostem temperatury współczynnik załamania światła maleje. Na przykład, dla długości fali 546 nm i temperatury od -20°C do 40°C, współczynnik dn/dT tworzywa sztucznego wynosi od -8 do -15×10⁻¹/°C, podczas gdy dla szkła NBK7 wynosi on 3×10⁻¹/°C.

• Przepuszczalność

Przepuszczalność

Odnosząc się do tego obrazu, większość tworzyw sztucznych o właściwościach optycznych charakteryzuje się przepuszczalnością ponad 90% w paśmie światła widzialnego; charakteryzują się one również dobrą przepuszczalnością w pasmach podczerwieni 850 nm i 940 nm, które są powszechne w elektronice użytkowej. Przepuszczalność tworzyw sztucznych również z czasem ulega pewnemu zmniejszeniu. Głównym powodem jest to, że tworzywo sztuczne pochłania promieniowanie ultrafioletowe ze słońca, a łańcuch molekularny pęka, degradując się i tworząc wiązania poprzeczne, co powoduje zmiany właściwości fizycznych i chemicznych. Najbardziej widocznym makroskopowym objawem jest żółknięcie tworzywa sztucznego.

• Dwójłomność naprężeniowa

Refrakcja soczewki

Dwójłomność naprężeniowa (dwójłomność) jest właściwością optyczną materiałów. Współczynnik załamania światła materiałów jest związany ze stanem polaryzacji i kierunkiem propagacji padającego światła. Materiały wykazują różne współczynniki załamania światła dla różnych stanów polaryzacji. W niektórych układach to odchylenie współczynnika załamania jest bardzo małe i nie ma dużego wpływu na układ, ale w niektórych szczególnych układach optycznych odchylenie to jest wystarczające, aby spowodować poważne pogorszenie wydajności układu.

Same tworzywa sztuczne nie mają właściwości anizotropowych, ale formowanie wtryskowe tworzyw sztucznych wprowadza dwójłomność naprężeniową. Główną przyczyną są naprężenia powstające podczas formowania wtryskowego oraz układ makrocząsteczek tworzywa sztucznego po schłodzeniu. Naprężenia te koncentrują się zazwyczaj w pobliżu portu wtryskowego, jak pokazano na poniższym rysunku.

Ogólna zasada projektowania i produkcji polega na minimalizacji dwójłomności naprężeniowej w efektywnej płaszczyźnie optycznej, co wymaga rozsądnego zaprojektowania struktury soczewki, formy wtryskowej i parametrów produkcji. Spośród kilku materiałów, materiały PC są bardziej podatne na dwójłomność naprężeniową (około 10 razy większą niż materiały PMMA), a materiały COP, COC i PMMA charakteryzują się niższą dwójłomnością naprężeniową.