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AVC Confidential,光學塑料件材料與光學性能簡介,Aug /2008,塑料的光學性質,AVC Confidential,一.塑料的光學性質 塑料的光學性質主要包括光的反射，折射，透過等取決於介質平均光學性質的傳遞特性和吸收，光熱，光化，光電和光至變色，光顯示等轉換特性。 1.透光性與透明性 絕大部分的高分子材料是半透明的，隻有幾種高分子材料相當透明。高聚物的透明性由聚合物的結構決定，一般，無定形高聚物是透明的，結晶使高聚物由於晶粒的漫反射，使透明性降低。 描述高聚物透明性的技術指標是透光率。透光率是指透射光與入射光的比值，通常用百分率表示。例如，普通玻璃的透光率在0.4nm0.8nm，可見光區域為90%，而PMMA可達94%。透光率與入射光波長有關，通常的透光率指可見光波長區域的平均透光率。測量透光率可用分光光度計。 當光線沿法線方向入射，即光線入射角1=0時，透射光強度與入射光強度的比值，It / Io 稱為透光率 To。 To= It / Io =1-(n-1)2/(n+1)2 式中n是材料的折射率 例如，把PMMA的折射率n=1.49代入上式，計算得PMMA的透過率為96%，余下4%在入射方向被反射掉。,2.折射性 折射表征光線穿過介質後的方向變化。 當光從一媒質直接射入第二媒介時，在界面發生折射，這時入射角1和折射角2滿足Snell定律： sin 1/sin 2=n 這時n為第二媒質對第一媒質的相對折射率，當第一媒質為空氣時，通常稱n作為第二媒質的折射率，如右圖示： 折射率與光的波長有關，例如PMMA的折射率與波長的關系如右圖示：,AVC Confidential,塑料的光學性質,3.反射性 反射是表征光線碰到介質表面後返回的量。光的反射取決與光與入射界面上的法線的角度。如圖示。當法線與入射角之間的夾角和法線與反射角之間的夾角不相等時，反射光強度與入射光強度之比值 I/ Io 稱為反射率。如下式表示： R= I/ Io =1/2sin2(-) /sin2(+)+ tan2(-) /tan2(+) 當入射角大於特定反射角時，則全部入射光均被反射，即全反射。（光必須由光密介質射向光疏介質） 4.光的雙折射 一束入射光在各向异性介质的界面折射时，产生两束折射光的现象称为双折射现象。 光的雙折射是因為各向異性材料中，光學密度隨軸的方向而異，折射率在不同的主軸方向有不同的值造成的。,在晶体中存在着一个特殊的方向，当光线在晶体内沿着这个方向传播时，不发生双折射。这个特殊的方向称为晶体的光轴。 光沿光轴方向传播时不发生双折射。 包含光轴与晶面法线的平面为主截面。 由光轴和o光组成的平面为o光主平面。o光振动垂直于主平面。由光轴和e光组成的平面为e光主平面。e光振动平行于主平面。o光遵从折射定律，e光不遵从折射定律。(e光為偏振光),AVC Confidential,光學塑料的品種及性質,二.光學塑料的品種及性質 光學塑料是一種非結晶有機高聚物，具有一定的光學，機械和化學特性。 1.聚甲基丙烯酸甲脂（PMMA） PMMA光學性能是其最重要的性能之一。PMMA透光率優於其他塑料透明塑料，而且比普通無機玻璃還高10%以上，並且具有很高的透明性，耐候性和耐腐蝕外，還有綜合性能好，尺寸穩定性好，價格較便宜等優點。PMMA主要缺點是吸濕性大，表面硬度和耐溶劑性差。 2.聚碳酸脂（PC） PC的折射率跟火石玻璃接近，是一種極其堅硬的光學塑料，在-155+120溫度內性能優良，具有優異的抗沖擊能力，透光率僅次於有機玻璃（PMMA），加入紫外線吸收劑後耐候性良好，比PMMA具有更好的拉伸強度，負荷變形溫度比PMMA高許多。缺點是注塑成型時分子易於取向，易發生雙折射。 火石玻璃：火石玻璃用二氧化硅、氧化钾（K2O）和氧化铅（PbO）等原料熔炼而成，其特点是折射率高，色散大。由于含铅，玻璃的比重也大，火石玻璃中所含的铅越多，折射率越高，而且比重也越大。,折射率,3.聚苯乙烯（PS） PS吸水率低，折射率高，透光率為88%92%，折射率為1.591.6，可透過所有波長的可見光，透明性僅次於丙烯酸類聚合物。PS耐候性差，在光照下長時間存放經常出混濁和發黃現象。當使用其他化合物改善耐候性時，往往會使PS的表面硬度變差。,AVC Confidential,光學塑料的品種及性質,4.二甘醇雙烯丙基碳酸酯（CR-39） CR-39是美國PPG公司於1945年投放市場的，具有優良的光學性能，且具有優異的耐磨性，透明性，耐沖擊性和耐化學藥品性，雙折射極小，是一種具有均衡力學，光學性質的合成樹脂，是目前光學上應用最廣泛使用的熱固性塑料。但缺點是折射率相對較低，隻有1.499，限制了它進一步的應用。現在業界正在研究如何改良其折射率。,小結： PMMA是光學塑料中應用最廣的品種，透光性是塑料中最好的，折射率相當冕牌玻璃，耐侯性好，但質脆不耐熱，且吸水率高。 PS價格最便宜，易於加工，著色力也強，折射率高，相當於火石玻璃。 PC耐熱性最好，耐沖擊性好強度也是光學塑料中最好的，但雙折射大，應力開裂及溶劑開裂是其缺點。 CR-39綜合性能優異，是熱固性光學塑料中目前最好的。,冕牌玻璃-是由包含大約10%的碱石灰硅酸鹽的氧化鉀，它有著較低的折射率（大約是1.52）和低色散（阿貝數大約是60）。,注釋：表中除CR-39為熱固性材料，其他均為熱塑性材料。TPX是聚甲基1-戊烯；SAN是苯乙烯-丙烯晴共聚物；NAS是苯乙烯-丙烯酸酯共聚物。,AVC Confidential,塑料透鏡一般特性要求,三.塑料透鏡一般特性要求 1.塑料透鏡基本特性要求 用於光學透鏡的光學塑料隨不同用途不同而不同，但一般需要滿足以下基本要求： （1）在使用光的波長范圍內透光率高； （2）雙折射小，折射率穩定； （3）耐化學藥品性及耐熱性優良； （4）吸濕膨脹小，溫度變化引起的膨脹收縮小，而且由於吸濕和溫度變化引起的光學特性變化小； （5）適合於機械加工和研磨拋光。,2.塑料透鏡需考慮的光學性能指標 塑料透鏡的設計方法和普通玻璃透鏡沒有太多區別，但須針對塑料本身缺點考慮以下光學性能指標： （1）折射率，塑料透鏡的折射率隨材料，透鏡形狀和不同成型方法不同而改變。 （2）溫度補償措施，周圍環境溫度變化會引起塑料透鏡焦點位移，從而倒置光學性能下降。 （3）雙折射，雙折射對透鏡性能影響很大。一般而言，材料色散越高雙折射越大。 （4）色散，同一介質對不同波長的光線有不同的折射率，而白光又是由不同波長的各色光組成的，介質在折射白光時會發生色散這一特殊現象，如右圖示。不同介質對色光散開程度不一樣。 阿貝數-表征色散的重要指標，也稱色散系數。阿貝數就是用以表示透明物質色散能力的反比例指數，數值越小色散現象越厲害。 （5）吸收光譜，當波長連續分布的光通過物質時，某波長的光被物質有選擇性吸收。它所產生的 光譜是在連續光譜的背景下分布著一系列暗線或暗帶，這種光譜叫吸收光譜。如右圖（葉綠素吸收光譜）。 （6）色度，作用是描述影響色彩及飽和度，用於指定像素的顏色,The EndThanksAVC Maya,
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