Materiais plásticos e moldagem por injeção são a base para lentes miniaturizadas. A estrutura da lente plástica inclui o material da lente, o corpo da lente, a montagem da lente, o espaçador, a folha de sombreamento, o material do anel de pressão, etc.

Existem diversos tipos de materiais para lentes de plástico, todos essencialmente plásticos (polímeros de alta massa molecular). São termoplásticos, plásticos que amolecem e se tornam plásticos quando aquecidos, endurecem quando resfriados e amolecem novamente quando aquecidos. Uma mudança física que produz uma transição reversível entre os estados líquido e sólido por meio de aquecimento e resfriamento. Alguns materiais foram inventados há mais tempo e outros são relativamente novos. Alguns são plásticos de uso geral, enquanto outros são materiais plásticos ópticos especialmente desenvolvidos para aplicações mais específicas em determinados campos da óptica.

Em projetos ópticos, podemos encontrar especificações de materiais de diversas empresas, como EP8000, K26R, APL5015, OKP-1 e assim por diante. Todos pertencem a um determinado tipo de material plástico, sendo os seguintes os mais comuns, e os classificaremos de acordo com a sua antiguidade:

As lentes de plástico

• l PMMA/Acrílico:Poli(metacrilato de metila), polimetilmetacrilato (plexiglass, acrílico). Devido ao seu baixo custo, alta transmitância e alta resistência mecânica, o PMMA é o substituto de vidro mais comum no nosso dia a dia. A maioria dos plásticos transparentes é feita de PMMA, como pratos transparentes, colheres transparentes e pequenas lentes de LED, etc. O PMMA é produzido em massa desde a década de 1930.
• PS:O poliestireno, também conhecido como poliestireno, é um termoplástico incolor e transparente, além de ser um plástico de engenharia, cuja produção em massa começou na década de 1930. Muitas das caixas de espuma branca e lancheiras comuns em nosso dia a dia são feitas de materiais de PS.
• PC:O policarbonato, também conhecido como policarbonato, é um termoplástico amorfo incolor e transparente, sendo um plástico de uso geral. Sua industrialização começou apenas na década de 1960. O policarbonato possui excelente resistência ao impacto e é comumente utilizado em peças como baldes de bebedouros, óculos de proteção, entre outras.
• l COP e COC:Polímero de olefina cíclica (COP), copolímero de olefina cíclica (COC). O copolímero de olefina cíclica é um material polimérico transparente amorfo com estrutura em anel, contendo ligações duplas carbono-carbono. Os hidrocarbonetos cíclicos são produzidos a partir de monômeros de olefina cíclica por autopolimerização (COP) ou copolimerização (COC) com outras moléculas (como o etileno). As características do COP e do COC são praticamente as mesmas. Este material é relativamente novo. Quando foi inventado, seu uso era inicialmente direcionado a aplicações ópticas. Atualmente, é amplamente utilizado nas indústrias de filmes, lentes ópticas, displays e produtos médicos (embalagens). A produção industrial do COP foi iniciada por volta de 1990, e a do COC, antes de 2000.
• l O-PET:A fibra óptica de poliéster, O-PET, foi comercializada em Osaka na década de 2010.

Ao analisar um material óptico, estamos principalmente interessados ​​em suas propriedades ópticas e mecânicas.

Óptico pcordas

• Índice de refração e dispersão

Índice de refração e dispersão

Como pode ser observado neste diagrama resumido, os diferentes materiais plásticos ópticos se dividem basicamente em dois grupos: um com alto índice de refração e alta dispersão, e outro com baixo índice de refração e baixa dispersão. Comparando a gama de opções de índice de refração e dispersão dos materiais vítreos, constatamos que a gama de opções de índice de refração dos materiais plásticos é muito estreita, e todos os materiais plásticos ópticos apresentam um índice de refração relativamente baixo. De modo geral, a gama de opções para materiais plásticos é mais restrita, havendo apenas cerca de 10 a 20 classes de materiais comerciais, o que limita consideravelmente a liberdade de projeto óptico em termos de materiais.

O índice de refração varia com o comprimento de onda: o índice de refração dos materiais plásticos ópticos aumenta com o comprimento de onda, diminui ligeiramente e, no geral, permanece relativamente estável.

Variações do índice de refração com a temperatura (dn/dt): O coeficiente de temperatura do índice de refração de plásticos ópticos é de 6 a 50 vezes maior que o do vidro, resultando em um valor negativo. Isso significa que, com o aumento da temperatura, o índice de refração diminui. Por exemplo, para um comprimento de onda de 546 nm, na faixa de -20 °C a 40 °C, o valor de dn/dt do material plástico varia de -8 a -15 x 10⁻⁵/°C, enquanto, em contraste, o valor para o vidro NBK7 é de 3 x 10⁻⁶/°C.

• Transmitância

A transmitância

Consultando esta imagem, a maioria dos plásticos ópticos apresenta uma transmitância superior a 90% na faixa da luz visível; eles também possuem boa transmitância nas faixas do infravermelho de 850 nm e 940 nm, comuns em eletrônicos de consumo. A transmitância dos materiais plásticos também diminui com o tempo, em certa medida. O principal motivo é que o plástico absorve os raios ultravioleta do sol, e a cadeia molecular se rompe, degradando-se e formando ligações cruzadas, resultando em alterações nas propriedades físicas e químicas. A manifestação macroscópica mais evidente é o amarelamento do material plástico.

• Birrefringência de tensão

Refração da lente

A birrefringência por tensão (birrefringência) é uma propriedade óptica dos materiais. O índice de refração dos materiais está relacionado ao estado de polarização e à direção de propagação da luz incidente. Os materiais exibem diferentes índices de refração para diferentes estados de polarização. Para alguns sistemas, essa variação do índice de refração é muito pequena e não tem grande impacto no sistema, mas para alguns sistemas ópticos específicos, essa variação é suficiente para causar séria degradação do desempenho do sistema.

Os materiais plásticos em si não possuem características anisotrópicas, mas a moldagem por injeção de plásticos introduz birrefringência de tensão. A principal razão é a tensão introduzida durante a moldagem por injeção e o arranjo das macromoléculas do plástico após o resfriamento. A tensão geralmente se concentra perto do ponto de injeção, como mostrado na figura abaixo.

O princípio geral de projeto e produção é minimizar a birrefringência por tensão no plano óptico efetivo, o que requer um projeto adequado da estrutura da lente, do molde de injeção e dos parâmetros de produção. Dentre os diversos materiais, os materiais de policarbonato (PC) são mais propensos à birrefringência por tensão (cerca de 10 vezes maior que a dos materiais de PMMA), enquanto os materiais de COP, COC e PMMA apresentam menor birrefringência por tensão.