4.6光学材料

1.透明光学材料

透射材料的光学特性主要由对各种色光的透过率和折射率决定。大部分光学零件是由光学玻璃制成的。一般光学玻璃能通过波长为 0.35~ 2.5μm的各种色光，超过这个范围的色光将被光学玻璃强烈地吸收。特殊熔炼的光学玻璃可以透过特定的波段。光学元件制造商经常在样本中给出所使用的标准光学材料的数据。

为了设计质量高的光学系统，需要很多种类的光学玻璃。光学玻璃大体上可分为两大类:冕牌玻璃(字母K表示)及火石玻璃(用字母 F表示)。每一大类又分为许多种类，如轻冕(QK)、冕(K)、磷冕(PK)、轻火石(QF)、火石(F)、特种火石TF等。每一个种类的玻璃又分为许多种牌号，如冕玻璃分为 Kl，K2，…， K12 等。一般来讲，冕牌玻璃为低折射率、低色散:火石玻璃为高折射率、高色散。 需要可以查找光学玻璃手册。

透射材料一般以夫琅禾费特征谱线的折射率来表示折射特性。常规光学玻璃以D光或d光的折射率 nD或ndn_{D}或n_{d}nD或nd，以及F光和C光的折射率nF或nCn_{F}或n_{C}nF或nC为主要折射特性。这是因为 F光和C光接近人眼灵敏光谱区的两端，而D光或d光在其中间，比较接近于人眼最灵敏的谱线 555nm。实际上 E光更接近这个长。n0n_{0}n0称为平均折射率nF−nCn_{F}-n_{C}nF−nC称为平均色散。另外，透明光学材料还有几个特征量：nD−1nF−nC{n_{D}-1}\over{n_{F}-n_{C}}nF−nCnD−1称为阿贝常数或平均色散系数，用符号vDv_{D}vD表示；任一对谱线的折射率差，如nG′−nFn'_{G}-n_{F}nG′−nF等称为部分色散，它和平均色散的比值称为相对色散或部分色散系数。

在光学玻璃目录中，通常会有以下参数：

D光或 d光的折射率nD或ndn_{D}或n_{d}nD或nd，以及其他若干谱线的折射率nC或nFn_{C}或n_{F}nC或nF等；
平均色散nF−nCn_{F}-n_{C}nF−nC；
阿贝常数vD=nD−1nF−nCv_{D}={{n_{D}-1}\over{n_{F}-n_{C}}}vD=nF−nCnD−1或vd=nd−1nF−nCv_{d}={{n_{d}-1}\over{n_{F}-n_{C}}}vd=nF−nCnd−1;
若干对谱线的部分色散叫nI1−nI2{n_{I1}-n_{I2}}nI1−nI2;
若干对谱线的相对色散nI1−nI2nF−nC{{n_{I1}-n_{I2}}}\over{n_{F}-n_{C}}nF−nCnI1−nI2;

2.玻璃的选择

光学设计中重要的一步是核对每种玻璃的参数，包括可用性、价格、透射特性、热特性、染污性等，要确保最优化选择玻璃。

玻璃被分成三类：首选玻璃、标准玻璃和查询玻璃。首选玻璃主要指玻璃存货；标准玻璃指玻璃公司目录中所列出的玻璃品种；查询玻璃指可以订货得到的玻璃品种。
透射性
大多数光学玻璃可以良好透射可见光和近红外区的光。但是，在近紫外区，大部分玻璃都或多或少地吸收光。如果光学系统必须透射紫外光，最常用的材料是熔融二氧化硅和熔融石英。某些重火石光学玻璃，在深蓝波长区有低的透射比，其具有微黄的外观。
双折射特性
一般光学玻璃是各向同性的，由于机械和热应力会使之变成各向异性。这意味着光的 s和p偏振分量有不同的折射率。高折射率的碱性硅酸铅玻璃(重火石玻璃） 在小的应力作用下显示较大的双折射。硼硅酸盐玻璃(冕牌玻璃) 对应力双折射不是非常灵敏。如果光学系统传输偏振光，必须在整个系统或部分系统中保持偏振状态，则材料的选择是很重要的。如在系统附近有热源的较大棱镜，棱镜内可能存在一个温度梯度。它将引入应力双折射，偏振轴将在棱镜内旋转。棱镜材料的较好选择应该是重火石玻璃，而不是冕牌玻璃。
化学稳定性
玻璃给出抵抗环境和化学影响的特性包括：玻璃的抗气候性，主要是抵抗空气中水蒸气影响的耐性；抗染污性，是对非气化弱酸性水影响的抵抗性；当玻璃接触酸性水介质时的抗酸性，以及抗碱性。
热特性
光学玻璃具有正的热膨胀系数，这就是说玻璃随温度的升高而膨胀。对于光学玻璃，热膨胀系数a 介于 4×10−64×10^{-6}4×10−6和16×10−6/K16×10^{-6}/K16×10−6/K之间。在设计工作于给定温度范围的光学系统时，需要考虑几个问题：光学玻璃的热胀冷缩性质不应与镜头结构件的热胀冷缩性质尽量相一致；光学系统可能必须被无热化，即在温度变化导致透镜形状和折射率变化时保持系统的光学特性不变；温度变化可能在光学玻璃中产生温度梯度，导致温度诱导的应力双折射。
大多数光学设计程序多有不同温度下进行系统优化的能力。这些程序能考虑玻璃元件的膨胀及形状的变化，也能考虑镜筒和透镜间隔圈的膨胀及玻璃材料折射率的变化。

3.塑料光学材料

塑料光学元件与玻璃材料相比，具有较低的质量、较高的抗冲击性，并能提供更多种形状。外形适应性是塑料光学的最大优点之一。非球面透镜和其他复杂的形状都可以被塑造。

塑料的主要缺点是较低的耐热性。塑料的融化温度比玻璃低，表面耐磨性和抗化学性较差。镀膜的附辛辛性低，因为其融化温度低，薄膜的沉积温度受到限制；塑料透镜上膜层的耐用性也低或寿命短；塑料镀膜可使用离子辅助沉积(离子束辅助沉积，简称 IBAD，是在气相沉积的同时辅以离子束轰击的薄膜制各方法，可在低温下合成致密、均匀的薄膜）提供较坚固而耐用的薄膜。

光学塑料材料品种的选择自由度有限，一个重要的限制是热膨胀系数高和折射率温度变化的依赖性强。塑料材料的折射率随温度的升高而减小(玻璃是增加的)，变化量大约比玻璃高 50倍。塑料的热膨胀系数大约比玻璃高10倍。高质量的光学系统可以用玻璃和塑料透镜的组合来实现设计。塑料光学元件可以被注塑成型、压塑成型或者用浇注的塑料块制造。用车削和抛光、浇注塑料块的工艺制造塑料元件是经济的。压塑成型可提供高精度和对光学参数的控制。模型制造是昂贵的，但在大批量生产中是成功的。为制造样品可用金刚石车削塑料光学元件，车削槽纹的散射影响常会得到控制。有时还需要"事后抛光"以去掉车削痕迹残余。

几种最常用的塑料材料是聚甲基丙烯酸甲醋(丙烯酸)、聚苯乙烯、聚碳酸醋、烯丙基二甘醇碳酸醋和 COC (环烯共聚物)等。

4.反射光学材料

反射光学零件一般是在抛光玻璃表面镀以金属的反射层。反射面不存在色散现象，对于任何色光，其反射角均等于入射角。反射光学材料的唯一特性是反射率。反射面多为用金属材料镀制，不同的金属反射面，有不同的反射特性，即随入射光波长的不同而有不同的反射率。

几何光学学习笔记（17）- 4.6光学材料相关推荐

几何光学学习笔记（31）- 6.6 光学系统中光能损失的计算
几何光学学习笔记(31)- 6.6 光学系统中光能损失的计算 6.6 光学系统中光能损失的计算 1. 透射面的反射损失 2. 镀金属层的反射面的吸收损失 3. 透射光学材料内部的吸收损失 4.总述 6 ...
springmvc学习笔记(17)-上传图片
2019独角兽企业重金招聘Python工程师标准>>> springmvc学习笔记(17)-上传图片标签: springmvc [TOC] 本文展示如何在springmvc中上传图 ...
几何光学学习笔记（23）- 5.6 远心光路
几何光学学习笔记(23)- 5.6 远心光路 5.6 远心光路 1.物方远心光路 2.像方远心光路 5.6 远心光路光学仪器中有相当大的一部分仪器用来测量长度.一种是光学系统有准确的放大率,使被测物 ...
几何光学学习笔记（1）- 1.1 几何光学的基本概念和定律
几何光学学习笔记(1)1.1 几何光学的基本概念和定律 1.绪论 2. 几何光学的基本概念 3.几何光学的基本规律 1.绪论光学主要可以分为几何光学和物理光学,几何光学更偏向于工程,物理光学更偏向与 ...
几何光学学习笔记（22）- 5.5 光学系统的景深
几何光学学习笔记(22)- 5.5 光学系统的景深 5.5 光学系统的景深 1.光学系统的空间像 2.光学系统的景深 5.5 光学系统的景深 1.光学系统的空间像前面讨论的只是垂直于光轴的物平面上的 ...
几何光学学习笔记（10）- 3.4 理想光学系统的放大率
几何光学学习笔记(9)- 3.3 理想光学系统的放大率 1.垂轴放大率b 2.轴向放大率a 3.角放大率g 4.三种放大率之间的关系 5.主点.焦点.节点处的放大率 1.垂轴放大率b b=−x′f′b ...
几何光学学习笔记（12）- 3.9几种典型系统的理想光学系统性质 3.10 矩阵运算在几何光学中的应用
几何光学学习笔记(12)- 3.9几种典型系统的理想光学系统性质& 3.10 矩阵运算在几何光学中的应用 3.9几种典型系统的理想光学系统性质 1.望远镜系统 2.显微镜系统 3.照相物镜系统 ...
几何光学学习笔记（9）- 3.3 理想光学系统的物像关系
几何光学学习笔记(10)- 3.4 理想光学系统的物像关系 1.图解法求解 2.解析法求像 3. 由多个光组组成的理想光学系统的成像 4. 光学系统的光焦度.折光度和光束的会聚度求像有两种方式: 1 ...
几何光学学习笔记（7）- 3.1 理想光学系统
几何光学学习笔记(7)- 3.1 理想光学系统光学系统多用于对物体成像.未经严格设计的光学系统只有在近轴区才能成完善像.由于在近轴区成像的范围和光束宽度均趋于无限小,因此没有很大的实用意义. 实际的 ...

几何光学学习笔记（17）- 4.6光学材料