光学材料特性的介绍
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光學材料的特性簡介
折射率 光在空氣中的速度與光在該材料中的速度之比率。材料的折射率越高，
使入射光發生折射的能力越強。折射率越高，鏡片越薄，即鏡片中心厚度相同， 相同度數同種材料，折射率高的比折射率低的鏡片邊緣更薄。
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光學材料的特性簡介
15
Hale Waihona Puke Baidu
光學材料的特性簡介
(複)雙折射率
光在各向同性( isotropic )介質中(ex. 水、玻璃)，光將沿折射定律所 定的方向傳播。但在各向異性( anisotropic )的介質會有一條光線被折射 成二條光線的光學雙折射現象。
變化較大，因此在高精度的光系系統上，其用途有一定程度的限制。
優點：全光線穿透率92%以上。與其它塑膠原料比較，具有與光學玻璃同等優
異的透明性，而且成型後表面硬度高，不易括傷。耐紫外光性能優異，
在射出成型時發生雙折射現象較少。
(2) PC (Polycarbonate)
PC 材料有高的韌性及高折射率折射率1.586 ，阿貝數34。
11
光學材料的種類
12
光學材料的特性簡介
目前光學材料中材料的優劣取決於下列幾個數值。
阿貝數 ( Abbe Number) 是用來評估一個光學系統色散能力好壞的數值他和折射率 ( Refration
Index ) 可以說是光學設計上兩大重要的參數 簡單的說....就是不同頻率 的光線對同一個光學系統而言,會有不一樣的折射率, 這就是色散的來 源.....為了評估色散問題, 德國的科學家 Ernst Abbe (1840-1905) 就定 義了系統在三個波長下光線的折射率分別為 859.2nm , 486.1nm, 656.3nm 時的折射率並定義了下面那個公式來評估這折射率差一般來說, Abbe Numbe r越大, 表示系統越不容易產生色散。
光學玻璃
研磨後玻璃LENS
5
模造玻璃的製造過程
6
光學鏡片相關製程
7
光學材料的種類
光學塑膠： 光學材料中塑膠材質佔了相當大的比重，例如PMMA、PC、mCOC等都是經
常被應用到的,透明性塑膠；使用光學級塑膠材料所製程的光學元件，不但 具有重量輕、耐衝擊性佳、成本低廉、適合大量生產等優點，而且可以成型 複雜形狀及微小特殊形狀的光學元件，也可以將多項零組件設計成一體成型， 可大幅節省後續的二次加工成本。
缺點:成形的鏡片表面較易刮傷，因此常用在光學系統的內部零件，以避
免與外界直接接觸 。
優點 :溫度適應能力強，可耐熱至120℃，所以能在較寬的溫度範圍內保
證光學系統的品質。
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光學材料的種類
(3) PS (Polystyrene) PS 是光學材料中折射率最高的，折射率1.59，阿貝數31。
缺點：不耐衝擊,韌性不夠易碎裂,成型鏡片後表面易刮傷不耐擦拭表面容 易霧化。
1.2 光學材料的種類 ?
★目前有分為天然材料、坡璃、塑膠 、 三大類。
3
光學材料的種類
天然材料 : 最常用的是水晶鏡片，它是由石英礦研磨而成的，主要成分
有二氧化矽, 純水晶主要分類有兩種 一種是無色鏡片，二氧化 矽純度較高，另一種是茶色鏡片，因含有其他元素而顯示出不 同的顏色，大大減少了可見光的穿透率。
光學材料的應用及特性介紹
1
目錄
光學材料的基本概念
1.1 何謂光學材料？ 1.2 光學材料的分類。 1.3 各種塑膠光學材料的介紹。
光學材料的特性及應用。
2.1 光學材料的特性簡介。 2.2 LENS 的基本觀念
2
光學材料的基本概念
1.1 何謂光學材料？
★ 光學材料是指具有一定的光學性能-[透光性] 和[均勻性]，可用於製造光學元件 的材料上使用。
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光學材料的種類
目前光學塑膠材料的種類有百種以上，然而真正工業化生產的僅有數
十種。常見的光學塑膠有PMMA、PC、PS、CR39、 mCOC 等，有關其特性如下：
(1) PMMA (Polymethyl methacrylate)
PMMA 俗稱壓克力，折射率1.492，阿貝數57。
缺點: 吸水性大 比其它光學材料大，故隨著溫度環境的變其尺寸及折射率
雙折射晶體內存在二個軸，互相正交。一為快軸，一為慢軸。光入射 於晶體時會被分解為沿這二個軸偏振的光---沿慢軸偏振光稱 ordinary light，沿快軸偏振光稱 extraordinary light，而這二分解的光會以不同 的速度前進（因為沿這二個軸方向的折射率不等，n快軸＜n慢軸）A如果入 射光與晶體面有一定的角度，則這二個分解的光的折射角也會不同，形成雙 折射現象。
優點：且耐摩耗與耐藥品性佳，容易染色，具有良好的光學性，一般廣 泛使用於眼鏡的鏡片。
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光學材料的種類
COP COC (Cyclo-Olefin polymers/copolymer) 環烯烴共聚合物 COC COP 材料是近十年來發展的新材料，其具有高透明性、低收縮率、低雙折射率、
高耐熱性、耐化學性等優異特性，可應用於光學產品、電子零件、生醫產品等用 途，其特性如下: 密度小,比PMMA和PC約低10%,有利於製品的輕量化。 吸水率小 ,COC吸水率遠低於PMMA, 不會產生因吸水導致於物性下降的影響。 COC由於含有極性和異向性小的單體，因而為非晶型透明材料，且雙折射率小。 屬於高耐熱性透明樹酯，玻璃轉化溫度達140-170℃。 容易射出成型、機械性能優異、拉伸強度。 優良的複製性，製品品質較為一致。 介電常數低，鉛筆硬度與PMMA相近。(耐擦傷性是光學材料的一個重要的性能指 標)。
優點 : 材料硬度大，不易磨損。 缺點 : 不能完全吸收短波紫外線， 不能減少紅外線的穿透率，材料密 度不均勻，若含有雜質會出現條紋 和氣泡，進而引起雙折射現象，不 易成像。
石英礦
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光學材料的種類
玻璃材質： 光學玻璃是用高純度矽、硼、鈉、鉀、鋅、鉛、鎂、鈣、鋇等的氧化物按特 定配方混合,在白金坩堝中高溫融化,用超聲波攪拌均勻,去氣泡；然後經長 時間緩慢地降溫，以免玻璃塊產生內應力。冷卻後的玻璃塊，必須經過光學 儀器測量，檢驗純度、透明度、均勻度、折射率和色散率是否合規格。合格 的玻璃塊經過加熱鍛壓，成光學玻璃。
優點：在光學設計時可使鏡片曲率較大且厚薄比設計。且光學設計常需要 幾片折射率不同的透鏡，來校正球面鏡片產生的像差。因此，PS 可與PMMA 或其他光學塑膠搭配，來消除光學系統中的像差和色差。
(4) CR39 (Columbia Resin 39) CR39 為熱固性塑膠，，折射率1.485 。
缺點 :但使用此材料的成型耗費時間較長，且硬化收縮比大至13%，因此 不適用於精密的光學系統。
光學材料的特性簡介
折射率 光在空氣中的速度與光在該材料中的速度之比率。材料的折射率越高，
使入射光發生折射的能力越強。折射率越高，鏡片越薄，即鏡片中心厚度相同， 相同度數同種材料，折射率高的比折射率低的鏡片邊緣更薄。
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光學材料的特性簡介
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Hale Waihona Puke Baidu
光學材料的特性簡介
(複)雙折射率
光在各向同性( isotropic )介質中(ex. 水、玻璃)，光將沿折射定律所 定的方向傳播。但在各向異性( anisotropic )的介質會有一條光線被折射 成二條光線的光學雙折射現象。
變化較大，因此在高精度的光系系統上，其用途有一定程度的限制。
優點：全光線穿透率92%以上。與其它塑膠原料比較，具有與光學玻璃同等優
異的透明性，而且成型後表面硬度高，不易括傷。耐紫外光性能優異，
在射出成型時發生雙折射現象較少。
(2) PC (Polycarbonate)
PC 材料有高的韌性及高折射率折射率1.586 ，阿貝數34。
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光學材料的種類
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光學材料的特性簡介
目前光學材料中材料的優劣取決於下列幾個數值。
阿貝數 ( Abbe Number) 是用來評估一個光學系統色散能力好壞的數值他和折射率 ( Refration
Index ) 可以說是光學設計上兩大重要的參數 簡單的說....就是不同頻率 的光線對同一個光學系統而言,會有不一樣的折射率, 這就是色散的來 源.....為了評估色散問題, 德國的科學家 Ernst Abbe (1840-1905) 就定 義了系統在三個波長下光線的折射率分別為 859.2nm , 486.1nm, 656.3nm 時的折射率並定義了下面那個公式來評估這折射率差一般來說, Abbe Numbe r越大, 表示系統越不容易產生色散。
光學玻璃
研磨後玻璃LENS
5
模造玻璃的製造過程
6
光學鏡片相關製程
7
光學材料的種類
光學塑膠： 光學材料中塑膠材質佔了相當大的比重，例如PMMA、PC、mCOC等都是經
常被應用到的,透明性塑膠；使用光學級塑膠材料所製程的光學元件，不但 具有重量輕、耐衝擊性佳、成本低廉、適合大量生產等優點，而且可以成型 複雜形狀及微小特殊形狀的光學元件，也可以將多項零組件設計成一體成型， 可大幅節省後續的二次加工成本。
缺點:成形的鏡片表面較易刮傷，因此常用在光學系統的內部零件，以避
免與外界直接接觸 。
優點 :溫度適應能力強，可耐熱至120℃，所以能在較寬的溫度範圍內保
證光學系統的品質。
9
光學材料的種類
(3) PS (Polystyrene) PS 是光學材料中折射率最高的，折射率1.59，阿貝數31。
缺點：不耐衝擊,韌性不夠易碎裂,成型鏡片後表面易刮傷不耐擦拭表面容 易霧化。
1.2 光學材料的種類 ?
★目前有分為天然材料、坡璃、塑膠 、 三大類。
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光學材料的種類
天然材料 : 最常用的是水晶鏡片，它是由石英礦研磨而成的，主要成分
有二氧化矽, 純水晶主要分類有兩種 一種是無色鏡片，二氧化 矽純度較高，另一種是茶色鏡片，因含有其他元素而顯示出不 同的顏色，大大減少了可見光的穿透率。
光學材料的應用及特性介紹
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目錄
光學材料的基本概念
1.1 何謂光學材料？ 1.2 光學材料的分類。 1.3 各種塑膠光學材料的介紹。
光學材料的特性及應用。
2.1 光學材料的特性簡介。 2.2 LENS 的基本觀念
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光學材料的基本概念
1.1 何謂光學材料？
★ 光學材料是指具有一定的光學性能-[透光性] 和[均勻性]，可用於製造光學元件 的材料上使用。
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光學材料的種類
目前光學塑膠材料的種類有百種以上，然而真正工業化生產的僅有數
十種。常見的光學塑膠有PMMA、PC、PS、CR39、 mCOC 等，有關其特性如下：
(1) PMMA (Polymethyl methacrylate)
PMMA 俗稱壓克力，折射率1.492，阿貝數57。
缺點: 吸水性大 比其它光學材料大，故隨著溫度環境的變其尺寸及折射率
雙折射晶體內存在二個軸，互相正交。一為快軸，一為慢軸。光入射 於晶體時會被分解為沿這二個軸偏振的光---沿慢軸偏振光稱 ordinary light，沿快軸偏振光稱 extraordinary light，而這二分解的光會以不同 的速度前進（因為沿這二個軸方向的折射率不等，n快軸＜n慢軸）A如果入 射光與晶體面有一定的角度，則這二個分解的光的折射角也會不同，形成雙 折射現象。
優點：且耐摩耗與耐藥品性佳，容易染色，具有良好的光學性，一般廣 泛使用於眼鏡的鏡片。
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光學材料的種類
COP COC (Cyclo-Olefin polymers/copolymer) 環烯烴共聚合物 COC COP 材料是近十年來發展的新材料，其具有高透明性、低收縮率、低雙折射率、
高耐熱性、耐化學性等優異特性，可應用於光學產品、電子零件、生醫產品等用 途，其特性如下: 密度小,比PMMA和PC約低10%,有利於製品的輕量化。 吸水率小 ,COC吸水率遠低於PMMA, 不會產生因吸水導致於物性下降的影響。 COC由於含有極性和異向性小的單體，因而為非晶型透明材料，且雙折射率小。 屬於高耐熱性透明樹酯，玻璃轉化溫度達140-170℃。 容易射出成型、機械性能優異、拉伸強度。 優良的複製性，製品品質較為一致。 介電常數低，鉛筆硬度與PMMA相近。(耐擦傷性是光學材料的一個重要的性能指 標)。
優點 : 材料硬度大，不易磨損。 缺點 : 不能完全吸收短波紫外線， 不能減少紅外線的穿透率，材料密 度不均勻，若含有雜質會出現條紋 和氣泡，進而引起雙折射現象，不 易成像。
石英礦
4
光學材料的種類
玻璃材質： 光學玻璃是用高純度矽、硼、鈉、鉀、鋅、鉛、鎂、鈣、鋇等的氧化物按特 定配方混合,在白金坩堝中高溫融化,用超聲波攪拌均勻,去氣泡；然後經長 時間緩慢地降溫，以免玻璃塊產生內應力。冷卻後的玻璃塊，必須經過光學 儀器測量，檢驗純度、透明度、均勻度、折射率和色散率是否合規格。合格 的玻璃塊經過加熱鍛壓，成光學玻璃。
優點：在光學設計時可使鏡片曲率較大且厚薄比設計。且光學設計常需要 幾片折射率不同的透鏡，來校正球面鏡片產生的像差。因此，PS 可與PMMA 或其他光學塑膠搭配，來消除光學系統中的像差和色差。
(4) CR39 (Columbia Resin 39) CR39 為熱固性塑膠，，折射率1.485 。
缺點 :但使用此材料的成型耗費時間較長，且硬化收縮比大至13%，因此 不適用於精密的光學系統。