Vật liệu nhựa và phương pháp ép phun là nền tảng cho việc chế tạo thấu kính thu nhỏ. Cấu trúc của thấu kính nhựa bao gồm vật liệu thấu kính, thân thấu kính, ngàm thấu kính, miếng đệm, tấm chắn sáng, vật liệu vòng ép, v.v.

Có nhiều loại vật liệu thấu kính cho thấu kính nhựa, về cơ bản tất cả đều là nhựa (polyme cao phân tử). Chúng là nhựa nhiệt dẻo, loại nhựa mềm ra và trở thành dạng dẻo khi được nung nóng, cứng lại khi nguội đi và mềm ra khi được nung nóng lại. Đó là sự thay đổi vật lý tạo ra sự chuyển đổi thuận nghịch giữa trạng thái lỏng và rắn bằng cách nung nóng và làm nguội. Một số vật liệu được phát minh từ lâu và một số thì tương đối mới. Một số là nhựa ứng dụng đa năng, và một số vật liệu là nhựa quang học được phát triển đặc biệt, được sử dụng cụ thể hơn trong một số lĩnh vực quang học.

Trong thiết kế quang học, chúng ta có thể thấy các mác vật liệu của nhiều công ty khác nhau, chẳng hạn như EP8000, K26R, APL5015, OKP-1, v.v. Tất cả đều thuộc một loại vật liệu nhựa nhất định, và các loại sau đây phổ biến hơn, chúng ta sẽ phân loại chúng theo thời gian xuất hiện:

Các thấu kính nhựa

• l PMMA/Acrylic:Poly(methyl methacrylate), polymethyl methacrylate (plexiglass, acrylic). Nhờ giá thành rẻ, độ truyền sáng cao và độ bền cơ học cao, PMMA là chất thay thế thủy tinh phổ biến nhất trong đời sống. Hầu hết các loại nhựa trong suốt đều được làm từ PMMA, chẳng hạn như đĩa trong suốt, thìa trong suốt và đèn LED nhỏ, thấu kính, v.v. PMMA đã được sản xuất hàng loạt từ những năm 1930.
• PS:Polystyrene (PS) là một loại nhựa nhiệt dẻo không màu và trong suốt, đồng thời cũng là một loại nhựa kỹ thuật, bắt đầu được sản xuất hàng loạt vào những năm 1930. Nhiều hộp xốp trắng và hộp đựng cơm trưa phổ biến trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta được làm từ vật liệu PS.
• PC:Polycarbonate, hay còn gọi là nhựa polycarbonate, là một loại nhựa nhiệt dẻo vô định hình, không màu và trong suốt, đồng thời cũng là một loại nhựa đa dụng. Nó chỉ được công nghiệp hóa vào những năm 1960. Khả năng chịu va đập của vật liệu PC rất tốt, các ứng dụng phổ biến bao gồm xô đựng nước, kính bảo hộ, v.v.
• l COP & COC:Polyme olefin vòng (COP), polyme olefin vòng; copolyme olefin vòng (COC). Copolyme olefin vòng là một loại vật liệu polyme trong suốt, vô định hình, có cấu trúc vòng, với các liên kết đôi carbon-carbon trong vòng. Các hydrocacbon vòng được tạo ra từ các monome olefin vòng bằng phương pháp tự trùng hợp (COP) hoặc đồng trùng hợp (COC) với các phân tử khác (như etylen). Đặc tính của COP và COC gần như giống nhau. Vật liệu này tương đối mới. Khi mới được phát minh, nó chủ yếu được xem xét cho một số ứng dụng liên quan đến quang học. Hiện nay, nó được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp phim ảnh, thấu kính quang học, màn hình, y tế (chai đựng bao bì). COP hoàn thành sản xuất công nghiệp vào khoảng năm 1990, và COC hoàn thành sản xuất công nghiệp trước năm 2000.
• l O-PET:Sợi polyester quang học, O-PET, đã được thương mại hóa tại Osaka vào những năm 2010.

Khi phân tích vật liệu quang học, chúng ta chủ yếu quan tâm đến các tính chất quang học và cơ học của chúng.

Quang học ptài sản

• Chiết suất và tán sắc

Chiết suất và tán sắc

Từ sơ đồ tóm tắt này có thể thấy rằng các vật liệu nhựa quang học khác nhau về cơ bản được chia thành hai nhóm: một nhóm có chiết suất cao và độ tán sắc cao; nhóm còn lại có chiết suất thấp và độ tán sắc thấp. So sánh phạm vi chiết suất và độ tán sắc tùy chọn của vật liệu thủy tinh, ta thấy rằng phạm vi chiết suất tùy chọn của vật liệu nhựa rất hẹp, và tất cả các vật liệu nhựa quang học đều có chiết suất tương đối thấp. Nói chung, phạm vi lựa chọn vật liệu nhựa hẹp hơn, và chỉ có khoảng 10 đến 20 loại vật liệu thương mại, điều này hạn chế đáng kể sự tự do trong thiết kế quang học về mặt vật liệu.

Chiết suất thay đổi theo bước sóng: Chiết suất của vật liệu nhựa quang học tăng theo bước sóng, chiết suất giảm nhẹ và nhìn chung tương đối ổn định.

Chỉ số khúc xạ thay đổi theo nhiệt độ Dn/DT: Hệ số nhiệt độ của chỉ số khúc xạ của nhựa quang học lớn hơn từ 6 đến 50 lần so với thủy tinh, là một giá trị âm, có nghĩa là khi nhiệt độ tăng, chỉ số khúc xạ giảm. Ví dụ, đối với bước sóng 546nm, từ -20°C đến 40°C, giá trị dn/dT của vật liệu nhựa là -8 đến -15 x 10⁻⁵/°C, trong khi đó, giá trị của vật liệu thủy tinh NBK7 là 3 x 10⁻⁶/°C.

• Độ truyền

Độ truyền dẫn

Như trong hình, hầu hết các loại nhựa quang học đều có độ truyền dẫn hơn 90% trong dải ánh sáng nhìn thấy; chúng cũng có độ truyền dẫn tốt đối với các dải hồng ngoại 850nm và 940nm, thường thấy trong các thiết bị điện tử tiêu dùng. Độ truyền dẫn của vật liệu nhựa cũng sẽ giảm đến một mức độ nhất định theo thời gian. Nguyên nhân chính là do nhựa hấp thụ tia cực tím trong ánh nắng mặt trời, và chuỗi phân tử bị phá vỡ dẫn đến sự phân hủy và liên kết chéo, gây ra những thay đổi về tính chất vật lý và hóa học. Biểu hiện rõ ràng nhất ở cấp độ vĩ mô là hiện tượng nhựa bị ố vàng.

• Hiện tượng lưỡng chiết ứng suất

Khúc xạ thấu kính

Hiện tượng lưỡng chiết ứng suất (lưỡng chiết) là một tính chất quang học của vật liệu. Chỉ số khúc xạ của vật liệu liên quan đến trạng thái phân cực và hướng truyền của ánh sáng tới. Vật liệu thể hiện các chỉ số khúc xạ khác nhau đối với các trạng thái phân cực khác nhau. Đối với một số hệ thống, sự sai lệch chỉ số khúc xạ này rất nhỏ và không ảnh hưởng lớn đến hệ thống, nhưng đối với một số hệ thống quang học đặc biệt, sự sai lệch này đủ để gây ra sự suy giảm nghiêm trọng hiệu suất của hệ thống.

Bản thân vật liệu nhựa không có đặc tính dị hướng, nhưng quá trình ép phun nhựa sẽ tạo ra hiện tượng lưỡng chiết ứng suất. Nguyên nhân chính là do ứng suất sinh ra trong quá trình ép phun và sự sắp xếp của các đại phân tử nhựa sau khi làm nguội. Ứng suất thường tập trung gần cửa phun, như hình dưới đây.

Nguyên tắc thiết kế và sản xuất chung là giảm thiểu hiện tượng lưỡng chiết ứng suất trong mặt phẳng quang học hiệu dụng, điều này đòi hỏi thiết kế hợp lý cấu trúc thấu kính, khuôn ép phun và các thông số sản xuất. Trong số nhiều vật liệu, vật liệu PC dễ bị lưỡng chiết ứng suất hơn (lớn hơn khoảng 10 lần so với vật liệu PMMA), còn vật liệu COP, COC và PMMA có lưỡng chiết ứng suất thấp hơn.