光学塑料是个啥？

光学塑料(optical plastics),又称光学树脂(opticalresin)，是一种传统的光学材料。由于其具有优良的光学特性、机械特性、热性能和化学特性，并且由于合成工艺、加工成型工艺及制造成本的优势,因而成为能够与光学玻璃竞争的光学镜头三大基本材料之一(光学玻璃、光学晶体与光学聚合物)，目前，由光学塑料制成的光学镜头已占据市场的半壁江山，尤其是在小微镜头领域，大部分都是塑料镜头。

塑料一般分为热塑性(thermoplastics)和热固性(thermosetting)塑料两种。

其中热塑性塑料指能够被重复加热软化而不改变其化学组成的聚合物材料,即具有加热软化流动、冷却硬化特性的塑料。热塑性材料能够通过注射成型(injectionmolding)技术直接加工成型光学元件,也可以先浇铸成块(castinginto blocks),然后通过后续的加工及抛光技术得到光学元件。光学塑料中的大部分为热塑性塑料,常用的有聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),聚苯乙烯(PS),聚碳酸酯(PC)等，其中在光学镜头领域，PMMA的应用最广。

热固性塑料指的是加热初期可软化流动,加热到一定温度后，产生化学反应而变硬,但这种变化是不可逆的。常用的材料烯丙基二甘醇碳酸酯(CR-39)属于热固性塑料。

光学塑料镜头的折射率范围一般在np=1.42~1.69,阿贝数r=65.3~18.8,相对密度d-0.83~1.46g/cm3,虽然折射率及色散的范围不如光学玻璃宽，且与光学玻璃相比，光学塑料具有相对较低的耐热性，吸湿率较高,热膨胀系数是玻璃的10倍以上，塑料更容易产生表面磨损，抗化学品侵蚀的能力弱。但塑料同样具有显著的优势,如加工成型方便、灵活,相对密度比玻璃小一半，由光学塑料制成的光学镜头耐冲击性能比玻璃镜头高10倍左右，制造成本及元件加工成本只约为玻璃镜头的1/10~1/30，具有很高的应用价值。

目前其主要应用于传统光学元件,如眼镜镜片和相机镜头、手机镜头等光学镜头，还能够应用于一般光学玻璃较难制造的光学元件，如菲涅尔透镜、非球面透镜。

各种不同的光学塑料

1.聚苯乙烯（PS）

聚苯乙烯(polystyrene,PS)是由苯乙烯单体聚合而成的,是热塑性塑料。由于PS的阿贝数为30.9，相当于火石玻璃，因此被人们称为火石光学塑料。与PMMA相比PS具有更大的折射率与色散,因此在光学设计上具有重要的应用价值，在光学系统中能够与PMMA配合组成消色差光学镜头透镜组。

PS的光学性能比PMMA差，在透明区域的透过率达到88%~92%。PS材料中存在较明显的双折射效应,在白色偏振光下,能够看到虹的颜色。早期的 PS由于容易引人杂质而会在光谱的高能端出现透过率的下降,从而使材料发黄。近年来，随着技术的进步使得黄化只出现于特别厚的样品中，PS透镜的透过率已经可以与PMMA透镜相比。相比于PMMA，PS的吸湿率较低，所以它在潮湿环境中能够保持光学元件的强度和尺寸。PS还具有非常低的导热系数，使得它能够用作良好的冷冻绝热材料。

2.聚碳酸酯（PC）

聚碳酸酯(polycarbonate,PC)是综合性能优良的透明工程塑料。PC的光学性能仅低于PMMA折射率及阿贝数与PS非常相似，但是透过率高于PS PC具有非常优异的耐热耐寒性，在135℃~120℃范围内能保持力学性能稳定，吸水率很低，同时也有着非常高的抗冲击强度。

PC材料也存在硬度低、耐磨性差、双折射系数大等缺点。又由于其应力较大，易开裂所以PC材料不便于进行机械加工，而多采用注射成型的方法但很难获得低成本、高成型精度的光学元件，在光学镜头上的应用较少。

3.烯丙基二甘醇碳酸酯(ADC)

烯丙基二甘醇碳酸酯(allyl diglycol carbonate,ADC俗称哥伦比亚树脂39#,CR-39)是PPG公司研制的一种热固型塑料，它可以浇铸成型，也能够采用玻璃的研磨、抛光工艺进行加工，具有非常出色的可见光区域透过率，而对于低于390nm的紫外线的截止能力却很强。其折射率比冕牌光学玻璃略小。而较高的阿贝数则保证了材料有较小的色差。CR-39具有非常高的材料抗冲击能力,其抗磨损以及刮伤的能力是未镀膜光学塑料中最强的,加上它只有光学玻璃一半大小的密度，CR-39目前成为低折射率眼镜镜片的首选材料。

4.苯乙烯共聚物(SAN，NAS)

SAN是一种苯乙烯与丙烯腈的共聚物，其中共聚物中苯乙烯与丙烯腈的重量百分比约为70%~80%与20%~30%。具有很高的抗冲击强度和抗弯强度，同时保持了PS的光学性能，能够用于光学镜头透镜、塑料光纤以及包装材料、计算机外壳等。

NAS是一种70%苯乙烯与30%丙烯酸酯的共聚物。具有比PMMA更低的成本以及比PS更高的抗刮伤能力与热变形温度。它的流动性较好，成型加工方便，透明区域透过率达90%以上。与PMMA相比，由于NAS的雾度(haze level)较大，因此更适合用来制作光学镜头的薄透镜,而PMMA一般用来制作厚透镜。

5.聚甲基丙烯甲脂PMMA

Polymethylmethacrylate， 简称PMMA，也称Acrylic。摩尔量约为50万---100万，（摩尔量对聚合物的性能有很大的影响）nd=1.491，色散系数Vd=57.2，是“王冕”材料，透过率约92%，加速老化后240H透过率仍能达到92%，在室外使用10年后只降到88%，能透过波长270nm以上的紫外光。PMMA能透过X射线和Y射线，其薄片能透过α射线和β射线，但是能吸收中子线。

PMMA密度为1.19kg/m3，在20℃*109Pa时的平均吸水率为2%，在所有光学塑料中它的吸水率最高，弹性模量为3.16*109Pa，泊松比为0.32，抗张强度为(462---703) *109Pa。PMMA 的线形膨胀系数为8.3*10-5 K-1，比K9玻璃大10倍，但PMMA从高温冷却时的光学记忆即组件恢复到它原来尺寸的性能要比玻璃好，它的折射率随温度的变化dn/dt为-8.5*10-5，比K9玻璃大出约30倍，但是它是负值。热导率为0.192W/(m*k)，比热容为1465J/(kg*k)，它的玻璃化温度为105℃，熔化温度为180℃。

PMMA耐稀无机酸去污液，油脂和弱碱的性能优良，耐浓无机酸中等，不耐醇，酮，溶于芳烃，氯化烃有机溶剂，为强碱及温热的NaOH，KOH所侵蚀，与显影液不起反应。

PMMA有优良的耐气候性，在热带气候下曝晒多年，它的透明度和色泽变化小。

PMMA目前于广泛被用于制造照相机，摄录一体机，投影机，光盘读出头以及军用火控和制导系统中的非球面透镜和反射镜，还用来制造菲涅尔透镜，微透镜数组，隐形眼镜，光纤，光盘基板等零件。

6.TPX

TPX是日本三井化学株式会社所生产的4-甲基戊烯（4-methylpentene-1）的聚合物，TPX是其商品名，化学名称为Methylpentene copolymer，简称PMP，三井化学株式会社是全球唯一的TPX生产制造商。

聚4-甲基戊烯-1是一种高结晶透明塑料，密度：0.82-0.83；吸水率：0.01%；熔点：240℃；维卡软化点160℃～170℃；收缩率：1.5%～3.0%；透光率：90%～92%（目前已商业化的高透明度树脂中唯一的结晶性聚合体）。

7.烯丙基二甘醇碳酸脂 ADC

Allgl diglycol carbonate，简称ADC或CR-39。ADC光学性能好、化学稳定性强、耐高温（长期使用可耐100℃，短期可耐150℃）、表面硬度比PMMA高40倍，是现有光学塑料中硬度最大的。

它是目前在光学领域中最主要的一种热固性材料，因此这种材料通常用浇铸的方法成形，浇注在玻璃模具中，一般在140℃的温度下用17H的时间固化成型。

Nd=1.498，vd=53---57，白光透过率92%，耐磨性，抗冲击，化学腐蚀的能力强，能经受持续100℃的高温，短时间内能耐150℃，由于它的收缩率很大(在固化时收缩率达14%)因此它主要用于眼镜片。

8.PET

PET最常用途是透明饮料瓶。

由于PET大分子链具有良好的规制性，为它提供了较高的结晶性能，结晶度越大密度越大，通常密度为1.2~1.38g/cm3。其分子链比较刚硬，分子间的强作用力赋予它具有良好的刚性和强度，对非极性气体等物质具有良好的阻隔性能和耐蜕变性能，膨胀系数小、尺寸稳定性高。

PET是一种典型的高结晶性聚合物，其熔点在225~260℃之间，玻璃化温度在70~80℃之间，在180℃左右达到最大结晶速度。PET 是乳白色或浅黄色、高度结晶的聚合物，表面平滑有光泽。在较宽的温度范围内具有优良的物理机械性能，长期使用温度可达120℃，电绝缘性优良，甚至在高温高频下，其电性能仍较好，但耐电晕性较差，抗蠕变性，耐疲劳性，耐摩擦性、尺寸稳定性都很好。PET塑料分子结构高度对称，具有一定的结晶取向能力，故而具有较高的成膜性和成性。PET塑料具有很好的光学性能和耐候性，非晶态的PET塑料具有良好的光学透明性。

另外PET塑料具有优良的耐磨耗摩擦性和尺寸稳定性及电绝缘性。PET做成的瓶具有强度大、透明性好、无毒、防渗透、质量轻、生产效率高等因而受到了广泛的应用到了广泛应用。

9.PSU

PSU为高性能工程塑料，硬度和冲击强度高，耐蒸气、耐水解、无毒、耐高温蒸气消毒、高透明、尺寸稳定性好，可在-100至175度下长期使用。比如用于制备透明宠物箱。

10.ARTON

由日本合成橡胶公司(JSR)开发的，在热塑性树脂中它的比重最轻，吸水率很小，优于PMMA，有良好的透过，色差小，双折射率比PC的小，耐热性好于PMMA和PC，拉伸强度优于PMMA，弯曲弹性模量优于PC，因此它很适合作非球面透镜。

光学玻璃和光学塑料的光学性能

1.光学玻璃 Vs 光学塑料

2.光学塑料的优缺点

光学塑料的优点:

①能进行大批量生产，降低制造成本；

②可以设计非常复杂的形状；

③重量轻，耐冲击；

④可以同时压出光学面和定位面. 减少系统装配成本；

⑤零件的质量一致。

光学塑料的缺点:

①对温度和湿度等环境的变化更为灵敏经济危机学塑料的热膨胀系数比玻璃大出一个数量级，光学塑料的折射率温度系数比玻璃要大6倍到50倍，一般来讲塑料光学零件的最高连续工作温度不得高于80---120摄氏度。光学塑料的吸湿性也比玻璃大得多；

②注射成型过程影响表面面形精度，由于材料在成型过程中的流动模式和冷却，固化收缩，光学零件的面形精度会受到影响。大多数光学塑料零件在成型时的收缩率一般是模具尺寸的0.1%~0.6%，随材料和生产过程的不同而不同；

③由于聚合时分子的取向性和模压时产生的内应力，光学塑料零件存在不同程度的双折射。

文章来源： 镜头网，俺搜塑讯