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【視覺知識(shí)】常見的光學(xué)材料

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  • 發(fā)布時(shí)間：2023-11-17 03:14:36

常見的光學(xué)材料


各種折、反射光學(xué)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(xué)材料制作而成的，光學(xué)材料的好壞直接影響到光學(xué)元件和光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量和性能?？偟膩?lái)說(shuō)，光學(xué)材料需滿足這樣的要求，即折射材料對(duì)工作波段具有良好的透過(guò)率，反射元件對(duì)工作波段具有很高的反射率。

一、透射材料的光學(xué)特性
透射材料分為光學(xué)玻璃、光學(xué)晶體和光學(xué)塑料三大類，它們的光學(xué)特性主要由其對(duì)各種色光的透過(guò)率決定。
（1）光學(xué)玻璃
光學(xué)玻璃是常用的光學(xué)材料，其制作工藝成熟、品種齊全。一般光學(xué)玻璃能透過(guò)波長(zhǎng)為0.35-2.5um的各種色光，超出這個(gè)波段范圍的光將會(huì)被光學(xué)玻璃強(qiáng)烈的吸收。光學(xué)晶體的透射波段范圍一般比光學(xué)玻璃更寬，其應(yīng)用日益廣泛。光學(xué)塑料是指可用來(lái)替代光學(xué)玻璃的有機(jī)材料，因其具有價(jià)格便宜、密度小、重量輕、易于模壓成型、成本較低、生產(chǎn)率高和不易破碎等諸多優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)已在一些中低檔的光學(xué)儀器中逐步取代光學(xué)玻璃。其主要缺點(diǎn)是熱膨脹系數(shù)和折射率溫度系數(shù)比光學(xué)玻璃大得多，制成的光學(xué)元件受溫度影響大，成像質(zhì)量不穩(wěn)定。
光學(xué)
圖1：光學(xué)玻璃示意圖
透射材料的折射特性一般以夫瑯禾費(fèi)特性譜線的折射率表示。這是因?yàn)镕光和C光位于人眼靈敏光譜區(qū)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(jù)光學(xué)玻璃的折射率和阿貝常數(shù)的不同，光學(xué)玻璃分為兩大類，即冕牌玻璃和火石玻璃，分別用符號(hào)K和F表示。一般冕牌玻璃具有低色散和低折射率的特點(diǎn)，火石玻璃具有高色散和高折射率的特點(diǎn)。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(xué)玻璃類型。
光學(xué)
圖2：不同光學(xué)玻璃的折射率/阿貝數(shù)
根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)品的光學(xué)特性差異性，光學(xué)玻璃還有一些列質(zhì)量指標(biāo)，這些質(zhì)量指標(biāo)主要是指：1.折射率、色散系數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)值的允許差值；2.同一批玻璃種折射率與色散系數(shù)的一致性；3.光學(xué)均勻性；4.應(yīng)力雙折射；5.條紋度；6.氣泡度；7.光吸收系數(shù)；8.耐輻射性等。根據(jù)這些質(zhì)量指標(biāo)，同一牌號(hào)的光學(xué)玻璃還分類分級(jí)，具體分類分級(jí)指標(biāo)詳見國(guó)產(chǎn)該功能學(xué)玻璃目錄或有關(guān)光學(xué)技術(shù)手冊(cè)。
此外光學(xué)玻璃還有一定的物理、化學(xué)和機(jī)械性能的要求，如密度、熱膨脹系數(shù)、化學(xué)穩(wěn)定性等。
隨著新型激光器的不斷發(fā)展，激光光學(xué)系統(tǒng)得到了日益廣泛的應(yīng)用。國(guó)產(chǎn)光學(xué)玻璃目錄還給出了波長(zhǎng)為632.8nm的He-Ne激光波長(zhǎng)的折射率和YAG固體激光器波長(zhǎng)1064nm的折射率。但是，由于激光器種類很多，輸出的激光波長(zhǎng)各不相同，且又不等于夫瑯禾費(fèi)譜線，因此，玻璃目錄中沒有與之對(duì)應(yīng)的折射率。這時(shí)，需根據(jù)玻璃折射率隨波長(zhǎng)變化的色散公式進(jìn)行插值計(jì)算，得到相應(yīng)波長(zhǎng)的折射率。
（2）光學(xué)塑料
和光學(xué)玻璃相比，光學(xué)塑料質(zhì)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(chǎn)出的塑料光學(xué)元件大大攤薄了模具成本，零件價(jià)格低廉，且易于復(fù)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(xué)元件及光柵等，因此光學(xué)塑料在光學(xué)系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。
但是大多數(shù)光學(xué)塑料的透射性相對(duì)較差，尤其是耐熱性、化學(xué)穩(wěn)定性和表面耐磨性都比光學(xué)玻璃差，塑料模具需要比玻璃更寬松的加工公差，以適應(yīng)其熱變化。
光學(xué)
圖3：光學(xué)塑料示意圖
（3）光學(xué)晶體
當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)工作在紫外或紅外波段時(shí)，一般光學(xué)玻璃對(duì)光波的強(qiáng)烈吸收而使光能快速衰減，變得不透明而無(wú)法工作。而光學(xué)晶體在紫外、可見光和紅外都有良好的透過(guò)率，且色散很低，因此在紫外和紅外波段，各種光學(xué)晶體得到廣泛的應(yīng)用，并進(jìn)入聲光、電光、磁光和激光各領(lǐng)域。

二、反射光學(xué)材料的光學(xué)特性

反射光學(xué)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(xué)材料的光學(xué)特性是對(duì)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(zhǎng)的不同而不同。


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