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【视觉知识】常见的光学材料

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  • 发布时间:2022-11-17 03:14:36

常见的光学材料


各种折、反射光学元件,如透镜、棱镜、平面镜、球面镜和分划板等都是由各种光学材料制作而成的,光学材料的好坏直接影响到光学元件和光学系统的成像质量和性能。总的来说,光学材料需满足这样的要求,即折射材料对工作波段具有良好的透过率,反射元件对工作波段具有很高的反射率。

一、透射材料的光学特性
透射材料分为光学玻璃、光学晶体和光学塑料三大类,它们的光学特性主要由其对各种色光的透过率决定。
(1)光学玻璃
光学玻璃是常用的光学材料,其制作工艺成熟、品种齐全。一般光学玻璃能透过波长为0.35-2.5um的各种色光,超出这个波段范围的光将会被光学玻璃强烈的吸收。光学晶体的透射波段范围一般比光学玻璃更宽,其应用日益广泛。光学塑料是指可用来替代光学玻璃的有机材料,因其具有价格便宜、密度小、重量轻、易于模压成型、成本较低、生产率高和不易破碎等诸多优点,近年来已在一些中低档的光学仪器中逐步取代光学玻璃。其主要缺点是热膨胀系数和折射率温度系数比光学玻璃大得多,制成的光学元件受温度影响大,成像质量不稳定。
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图1:光学玻璃示意图
透射材料的折射特性一般以夫琅禾费特性谱线的折射率表示。这是因为F光和C光位于人眼灵敏光谱区的两端,而D光和d光位于其中间,比较接近人眼灵敏的谱线555nm。
根据光学玻璃的折射率和阿贝常数的不同,光学玻璃分为两大类,即冕牌玻璃和火石玻璃,分别用符号K和F表示。一般冕牌玻璃具有低色散和低折射率的特点,火石玻璃具有高色散和高折射率的特点。冕牌玻璃和火石玻璃分别加入不同的其他元素,如氟、磷、钡、镧、钛等元素,形成不同的光学玻璃类型。
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图2:不同光学玻璃的折射率/阿贝数
根据生产过程中产品的光学特性差异性,光学玻璃还有一些列质量指标,这些质量指标主要是指:1.折射率、色散系数与标准值的允许差值;2.同一批玻璃种折射率与色散系数的一致性;3.光学均匀性;4.应力双折射;5.条纹度;6.气泡度;7.光吸收系数;8.耐辐射性等。根据这些质量指标,同一牌号的光学玻璃还分类分级,具体分类分级指标详见国产该功能学玻璃目录或有关光学技术手册。
此外光学玻璃还有一定的物理、化学和机械性能的要求,如密度、热膨胀系数、化学稳定性等。
随着新型激光器的不断发展,激光光学系统得到了日益广泛的应用。国产光学玻璃目录还给出了波长为632.8nm的He-Ne激光波长的折射率和YAG固体激光器波长1064nm的折射率。但是,由于激光器种类很多,输出的激光波长各不相同,且又不等于夫琅禾费谱线,因此,玻璃目录中没有与之对应的折射率。这时,需根据玻璃折射率随波长变化的色散公式进行插值计算,得到相应波长的折射率。
(2)光学塑料
光学玻璃相比,光学塑料质量轻,可塑性好,具有良好的抗冲击性,既可车削加工,更可采用模具注塑成型。虽然模具成本高昂,但大批量住宿生产出的塑料光学元件大大摊薄了模具成本,零件价格低廉,且易于复杂曲面成型加工,制造葛洪非球面、微镜阵列、菲涅尔透镜、二元光学元件及光栅等,因此光学塑料在光学系统中得到了广泛应用。
但是大多数光学塑料的透射性相对较差,尤其是耐热性、化学稳定性和表面耐磨性都比光学玻璃差,塑料模具需要比玻璃更宽松的加工公差,以适应其热变化。
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3:光学塑料示意图
(3)光学晶体
光学系统工作在紫外或红外波段时,一般光学玻璃对光波的强烈吸收而使光能快速衰减,变得不透明而无法工作。而光学晶体在紫外、可见光和红外都有良好的透过率,且色散很低,因此在紫外和红外波段,各种光学晶体得到广泛的应用,并进入声光、电光、磁光和激光各领域。

二、反射光学材料的光学特性

反射光学元件是在抛光玻璃或金属表面镀上高反射金属材料的薄膜而成。反射不存在色散,因此反射光学材料的光学特性是对各种色光的反射率。各种金属镀层的反射率各不相同,同一金属材料的反射率随波长的不同而不同。


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