【視覺知識】常見的光學材料

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  • 發布時間:2023-11-17 03:14:36

常見的光學材料


各種折、反射光學元件,如透鏡、棱鏡、平面鏡、球面鏡和分劃板等都是由各種光學材料制作而成的,光學材料的好壞直接影響到光學元件和光學系統的成像質量和性能??偟膩碚f,光學材料需滿足這樣的要求,即折射材料對工作波段具有良好的透過率,反射元件對工作波段具有很高的反射率。

一、透射材料的光學特性
透射材料分為光學玻璃、光學晶體和光學塑料三大類,它們的光學特性主要由其對各種色光的透過率決定。
(1)光學玻璃
光學玻璃是常用的光學材料,其制作工藝成熟、品種齊全。一般光學玻璃能透過波長為0.35-2.5um的各種色光,超出這個波段范圍的光將會被光學玻璃強烈的吸收。光學晶體的透射波段范圍一般比光學玻璃更寬,其應用日益廣泛。光學塑料是指可用來替代光學玻璃的有機材料,因其具有價格便宜、密度小、重量輕、易于模壓成型、成本較低、生產率高和不易破碎等諸多優點,近年來已在一些中低檔的光學儀器中逐步取代光學玻璃。其主要缺點是熱膨脹系數和折射率溫度系數比光學玻璃大得多,制成的光學元件受溫度影響大,成像質量不穩定。
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圖1:光學玻璃示意圖
透射材料的折射特性一般以夫瑯禾費特性譜線的折射率表示。這是因為F光和C光位于人眼靈敏光譜區的兩端,而D光和d光位于其中間,比較接近人眼靈敏的譜線555nm。
根據光學玻璃的折射率和阿貝常數的不同,光學玻璃分為兩大類,即冕牌玻璃和火石玻璃,分別用符號K和F表示。一般冕牌玻璃具有低色散和低折射率的特點,火石玻璃具有高色散和高折射率的特點。冕牌玻璃和火石玻璃分別加入不同的其他元素,如氟、磷、鋇、鑭、鈦等元素,形成不同的光學玻璃類型。
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圖2:不同光學玻璃的折射率/阿貝數
根據生產過程中產品的光學特性差異性,光學玻璃還有一些列質量指標,這些質量指標主要是指:1.折射率、色散系數與標準值的允許差值;2.同一批玻璃種折射率與色散系數的一致性;3.光學均勻性;4.應力雙折射;5.條紋度;6.氣泡度;7.光吸收系數;8.耐輻射性等。根據這些質量指標,同一牌號的光學玻璃還分類分級,具體分類分級指標詳見國產該功能學玻璃目錄或有關光學技術手冊。
此外光學玻璃還有一定的物理、化學和機械性能的要求,如密度、熱膨脹系數、化學穩定性等。
隨著新型激光器的不斷發展,激光光學系統得到了日益廣泛的應用。國產光學玻璃目錄還給出了波長為632.8nm的He-Ne激光波長的折射率和YAG固體激光器波長1064nm的折射率。但是,由于激光器種類很多,輸出的激光波長各不相同,且又不等于夫瑯禾費譜線,因此,玻璃目錄中沒有與之對應的折射率。這時,需根據玻璃折射率隨波長變化的色散公式進行插值計算,得到相應波長的折射率。
(2)光學塑料
光學玻璃相比,光學塑料質量輕,可塑性好,具有良好的抗沖擊性,既可車削加工,更可采用模具注塑成型。雖然模具成本高昂,但大批量住宿生產出的塑料光學元件大大攤薄了模具成本,零件價格低廉,且易于復雜曲面成型加工,制造葛洪非球面、微鏡陣列、菲涅爾透鏡、二元光學元件及光柵等,因此光學塑料在光學系統中得到了廣泛應用。
但是大多數光學塑料的透射性相對較差,尤其是耐熱性、化學穩定性和表面耐磨性都比光學玻璃差,塑料模具需要比玻璃更寬松的加工公差,以適應其熱變化。
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3:光學塑料示意圖
(3)光學晶體
光學系統工作在紫外或紅外波段時,一般光學玻璃對光波的強烈吸收而使光能快速衰減,變得不透明而無法工作。而光學晶體在紫外、可見光和紅外都有良好的透過率,且色散很低,因此在紫外和紅外波段,各種光學晶體得到廣泛的應用,并進入聲光、電光、磁光和激光各領域。

二、反射光學材料的光學特性

反射光學元件是在拋光玻璃或金屬表面鍍上高反射金屬材料的薄膜而成。反射不存在色散,因此反射光學材料的光學特性是對各種色光的反射率。各種金屬鍍層的反射率各不相同,同一金屬材料的反射率隨波長的不同而不同。


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