塑料光学元件给加工者带来了许多优于玻璃光学元件的方便之处。尽管加工塑料元件所用的工具和模具较贵,然而一旦这些问题解决后,则在批量生产过程中,塑料元件的成本就很便宜。塑料元件具有重量轻,不易破碎,易于连接和调整等特性,这使其能加工出玻璃元件不能加工的微米结构。使用多腔模具一次性可制作几个塑料零件,这样既减少了加工时间又降低了成本。多个透镜可以加工在一个零件上而形成透镜组件。最终,可根椐需要对塑料元件进行镀膜和模制,包括着色和镀膜。这些优势使得塑料光学元件在电子业中有很大的选择余地。
塑料光学元件的典型应用有:作为成像镜头可代替传统光学系统如投影系统、照相系统、夜视系统和平视显示器中的光学元件。
用于侧光和背景光信息显示器的光管,如LCD计算机显示器、汽车中的仪表面板、手机等。
医疗光学元件,如基于芯片式微机电系统(MEMS)上的试验元件,医用处置仪器等。
汽车透镜、前灯、尾灯、刹车灯、读取灯以及使用灯管进行后部照明的仪器。
激光二极管和发光二极管用的具有不同视角的准直镜。
安全系统用的镜头,如探测热辐射体红外特征的多带菲涅耳镜头。
消费产品,从带有光学传感器的儿童玩具如Furby到人们日常所用的打印机,扫描仪,拷贝机以及磁盘驱动器和DVD,这些产品都是利用小型光学元件来激活显示信息,或以光学格式扫描信息。
注塑和压模是用来加工塑料光学元件的方法。注塑机在高温下熔化生塑料,然后变成热塑料流入到一台用计算机数控的加工机床或金刚石车削的模具内。为了光学方面的应用,模塑过程很复杂。为了精确地重现塑料光学元件的光学特性,模塑工必须能对模制参数,材料和温度进行严格的控制。通晓注入模具的正确材料、温度和时间的工作对于熟练的加工者来说仍然需要几个循环方能精通。
模具通常是用镍或钢材制成,这取决于每个模具加工零件的数量以及精度要求。在加工过程中,熔化的塑料经特殊加工的通道均匀地流入模具,在模具的每一部分都形成均匀流动。这些通道被称作注口和流道已经能够使塑料完全均匀流入模具。
注塑模具中置有排出模具腔中空气的排气孔。这些气孔、注口、流道在加工高精度光学零件中起关键作用。模具还含有拆模销和模制角,其功能是在零件冷却后取出零件。如果模具设计不正确,那么就无法将塑料零件从模具中取出。在家庭用品中或玩具上出现的气泡条纹等小缺陷是可以接受的,但对于光学元件可能就是很致命的问题,一个劣质的光学元件会使整个系统的功能衰减。
现代的塑料光学元件已经克服了过去困扰光学元件的许多问题。以前的塑料光学元件不能承受紫外光或在IR波段不能透射光。新一代的原料混合技术能产生鲜明的颜色。误差要求严格下仍能注塑出更薄更高透射率的零件。今天的塑料元件能在恶劣的环境下承受多年的紫外光照射。这些新一代的塑料能允许从紫外光到红外光整个波段之间有更高的透射率。高温是过去一直难以解决的问题,但是现在像TPX和U系列材料能新技术应用在100C的高温下几乎不改变物理或光学性能。热油和加热温等新技术解决了注塑时熔化这些高温塑料的问题。
加工塑料元ff的最后步是研磨和抛光过程。加工塑料零件的过程比加工玻璃零件过程的机械误差低50%.因此塑料零件的成本明显低于玻璃元件。玻璃元件的每一表面必须经过研磨和抛光,而在模制塑料光学元件时,仅对模具进行高质量的抛光。塑料光学元汴不R在价格上有优势,而且还具有抗冲击、重量轻、结构灵活等特点。
玻璃元忭的重量是塑料零件的2倍5倍,因此根据系统要求对材料的选择是很重要的。较轻的重量允许要设计的机构的连接方式更简单,并能降低整个产品的重量。为了-步减轻重量使产品更简单,支撑机构和基准键可以设计并直接模塑在塑料光学元件上重量常常是影响成本的一个重要因素。对于数量多或大体积零件,玻璃零件的运送费用明显要高。尤其是安装件与光学元件混装运输时=当要求抗冲击性高时,塑料是一种最佳的材料。在许多军事应用方面,由于玻璃元件缺乏抗冲电力而被代替。已经设计出能够承受火炮发射、弹道发射过程中的冲击力的塑料光学元件;不仅提供功能完好的瞄准眼和视野范围,并能使士兵更安全。
在过去。玻璃二;镜设计是用来为聚焦照相镜头提供受限散射三合透镜设计能很好补偿几何m差如球差替差、色差,并具有低/数=为了降低成本,照相机生产商已经用塑钭镜头取丨t笨冗:冗成本的玻璃镜头i塑料岑件不仅头还圭接件:连接件圯往往用塑抖1f料加工成。可以快速地安装上;这种七不可卸的。允许有公差。从而使得汶讣式匣于照相机、补充金属氧化物半导体(CMOS)阵列监控系统或视频会议照相机的拆除。这种卡套式连接头和调节键保证长时间不移动,不会产生单个透镜的聚焦和误调整。通常,一个玻璃三合透镜的设计需要至少采用两种不同材料的三个玻璃透镜。
组装光学单元时也需要连接件。然而模制成塑料透镜的衍射光学元件(DOE)和非球面减少了对多种材料的需求=这允许模塑工采用一种类型的材料进行整体组装。DOE降低了色差、而不同宽度、曲率和非球面的塑料透镜补偿广几何偏差。这种特殊的三合透镜具有轴上、离轴衍射极限,并有很好的调制传递函数(MTF)。在塑料三合透镜的数量达到10000时,每单元价格不足2美元,而同样的玻璃三合透镜的价格却在5美元到50美元之间。
尽管塑料元件比玻璃元件有许多优点,但是塑料光学元件也有其不足之处。塑料光学元件在温度波动比较大的环境下性能差。
然而,大多数的光学系统的工作温度不会超过塑料材料的温度限制。这样,用玻璃制成的光学系统就比用塑料制成的光学系统有更多的弊端。然而,玻璃光学元件的材料种类多于现在可获得的塑料光学元件的材料,这就意味着采用玻璃使得设计有更大的自由度。尽管如此,设计人员可通过采用非球面,二元光学和衍射的办法来补偿,以克服塑料光学元件可选择的材料少的问题。
总而言之,当需求大批量特征丰富的零件时。塑料材料是替代玻璃的最佳选择。在采用多特征、轻量化,有连接结构的光学元件的情况下表现突出的塑料光学元件可满足面向用户产品化的需求。新型塑料光学元件在不久的将来将占据市场的主导位置。(No.7)齐涤非编译
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