微型眼鏡的光學塑料設(shè)計

近年來，隨著數(shù)碼產(chǎn)品的攝像頭技術(shù)的發(fā)展，高分辨率攝影在社會各個領(lǐng)域的廣泛應用，為人們的生活帶來了極大的便利。鏡頭作為拍照過程中最為重要的設(shè)備,其地位不可小視,而數(shù)碼產(chǎn)品攝像頭的微距鏡頭僅僅只能滿足常規(guī)需要,并不能滿足一些特殊需求。為滿足一些特殊需求而更改或者設(shè)置數(shù)碼產(chǎn)品的攝像頭,無論從成本還是工藝上來說,都受到所處條件的限制,為此可以借助一種特制微型數(shù)碼產(chǎn)品的攝像頭鏡片,就像給數(shù)碼產(chǎn)品的攝像頭帶上一副便攜的“眼鏡”,從而在不改變數(shù)碼產(chǎn)品攝像頭本身的前提下,讓數(shù)碼產(chǎn)品攝像頭獲得更好的放大倍數(shù),來滿足特殊人群對放大倍數(shù)的需要。1注射成型塑料透鏡最早將塑料直接應用于光學領(lǐng)域的是ArthurKingston,他在1934年取得注射成型塑料透鏡專利,并且將其應用于照相機中。光學塑料產(chǎn)品有聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)、聚碳酸酯(PC)、苯乙烯丙烯腈共聚物(AS/SAN)及苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯共聚物(MS)等。2便攜式顯微鏡片凸透鏡顯微鏡是利用光學原理,通過控制光線的進入方向,從而把微小的物品進行放大,以便進行觀察。基于顯微鏡的光學原理,微型顯微鏡片(凸透鏡)充當了物鏡的功能。而通常來說,數(shù)碼產(chǎn)品攝像頭的放大倍數(shù)及其變焦能力已經(jīng)設(shè)定為一個取值范圍,因此,可以根據(jù)其參數(shù),按照所要求的放大倍數(shù),設(shè)計合適的微型鏡片,來獲得不同倍數(shù)的“便攜式顯微鏡”。由于光學鏡片的放大倍數(shù)與鏡片折射率和弧度2個因素有關(guān),因此選擇合適的光學塑料作為材料就顯得尤為重要。3溫度對熱性能的影響基于微型數(shù)碼產(chǎn)品攝像頭鏡片的特殊要求,應該注意以下幾個方面:一是應從折射率、色散性、折射率隨溫度的變化、有無重折射、分光透過率大小等方面考慮其光學性能;二是從拉伸強度、彎曲強度、彈性模量、壓縮強度、沖擊強度、羅氏硬度等方面考慮其力學性能;三是從熱變形溫度、熱傳導系數(shù)、比熱、線膨脹系數(shù)、密度等方面考慮其物理性能;四是從吸水性、耐酸、耐候等方面考慮其化學性能。3.1重折射材料的選擇選取材料時,因為使用環(huán)境的限制,應當選擇光學性能隨溫度變化較小的材料,另外選取重折射相對較小的材料。以此為前提,為了獲得更好的放大倍數(shù),對材料的折射率與透光率有著更高的要求。光是一種電磁波,在通過不同的材料時會有不同的透光率和折射率。3.1.1透光材料的選擇因為光的性質(zhì),沒有任何一種材料的透光率能夠達到100%,所以在選擇材料時,應該選擇透光率較大的光學塑料,以便能獲得更好的采光率。但是透光率的高低并不是作為材料選擇的唯一標準,還必須考慮其他條件,常見的光學塑料的采光率見表1。3.1.2含硫單體樹脂的選擇光的本質(zhì)作為一種電磁波,因而在介質(zhì)中傳播可用經(jīng)典電磁理論Lorentz-Lorenz來描述。介質(zhì)的折射率(n)與介質(zhì)物質(zhì)的量體積成反比,也可以說n與介質(zhì)極化率成正比。根據(jù)此理論,對官能團進行了分類整理,認為鹵族元素(除氟以外)、重金屬粒子、苯環(huán)和稠環(huán)、硫、鉛及磷原子對提高折射率有明顯作用。一般來說,光學塑料存在n范圍較窄且偏低(1.49~1.59)、色散系數(shù)偏大(30~59)等缺點,影響了其在光學儀器上的應用。為了解決這一情況,依據(jù)Lorentz-Lorenz方程,通過引入官能團來改變此性質(zhì),并且在實際應用中,引入官能團時,要根據(jù)官能團的性質(zhì)予以考慮。當引入鹵族元素時,由于氯原子對n的貢獻較小,碘原子引入較困難且成本較高,故一般考慮引入溴原子。雖然含氯樹脂的n通常較高,但是其他性能往往較差,因此研究過程中涉及面也較少。樹脂中含重金屬的火石系列玻璃,雖然n很好,但是相對來說,密度會很大,考慮到微型鏡片對柔軟性的要求,因此在選擇此材料時應該慎重。如果引入苯環(huán)和稠環(huán)類,得到的n提高,主要是因為其易極化,但是提高的程度相對較低,而且由于苯環(huán)的存在,其色散必然變大。對于引入磷元素的樹脂來說,基本上以硫代磷酸酯的形式引入,但制備復雜,所以單體所占比例不高,但是由于其結(jié)構(gòu)新穎,發(fā)展的潛力不可小視。含鉛的樹脂,例如向PMMA分子鏈中引入苯乙烯結(jié)構(gòu)單元和鉛離子,可以提高光學塑料的n,增加表面硬度和熱穩(wěn)定性,降低吸水率,但是因為鉛的引入,容易對生物體造成危害,所以在應用上應該考慮這一點。另外,目前含硫單體的樹脂研究較為熱門,國內(nèi)外從事該種類的樹脂開發(fā)占了相當?shù)囊徊糠?得到樹脂的n較為理想,在同等n的條件下,其他性能也較其他種類樹脂有較好的性能表現(xiàn)。基于Lorentz-Lorenz方程,在材料制備或者選取過程中,應當選取介質(zhì)極化率高的樹脂,但是作為一種實用性材料,在保證n的前提下,也應當在細節(jié)上予以考慮:添加不同官能團會不會帶來樹脂其他性能的變化。另外,由于光學塑料的n與溫度聯(lián)系緊密,在設(shè)計過程中,需要考慮溫度對其的影響。根據(jù)微型鏡片所需要的材料要求,對產(chǎn)品進行設(shè)計時,在保證適合的n的前提下,應選擇合適的官能團、均衡樹脂光學性能及其他性能上的需求。3.2對材料的沖擊作為附著在數(shù)碼產(chǎn)品攝像頭上的微型鏡片,在考慮其材料光學性能的前提下,也必須考慮其力學性能。通常來說,光學塑料的耐沖擊強度高,不易破裂,因此光學塑料很容易制成包括非球面形狀在內(nèi)的任意形狀。例如被廣泛運用各個領(lǐng)域的PM-MA,它的機械強度較高,相對分子質(zhì)量大約為200萬,是長鏈的高分子化合物,拉伸和沖擊強度比普通玻璃高7~18倍。對于選擇的材料來說,材料的強度是其是否有用的先決條件。如果樹脂中含有容易旋轉(zhuǎn)的柔性基團,例如當含有醚鍵、酯基鍵時,材料的沖擊強度較好,但也會使材料的耐熱性和硬度下降。當采用交聯(lián)時,由于交聯(lián)限制了鏈段的自由旋轉(zhuǎn),使鏈的柔順性下降,進而導致了強度的下降。因此,通常來說,在考慮合理的使用條件下,均衡所需的材料性能,以達到使用要求。3.3次成型工藝光學塑料同其他塑料類似,在大多數(shù)情況下,為了獲得好的使用效果,一般會采用一次成型加工工藝,通過加熱使光學塑料處于黏流態(tài)的條件下,經(jīng)過流動、成型和冷卻硬化,使光學塑料成為可使用的形狀(凸透鏡)。對于一次成型來說,主要包括注塑、模壓、壓延及鑄塑4種方法。鑒于微型鏡片的形狀和使用要求,在制作微型鏡片的過程中,應當充分考慮所選材料的物理和化學性質(zhì),選擇合適的成型方法,比如鑄塑成型,因為鑄塑成型所用設(shè)備較少,成型時一般不需要加壓,另外對模具的硬度要求降低,對制品的尺寸限制較少,另外所得制品內(nèi)應力較低,質(zhì)量良好,通過預先計算好的尺寸,設(shè)計合理的模具,然后予以鑄塑成型。在成型的工藝流程上,可以參仿其他塑料的成型工藝。有時候,可以不局限于一種成型方法,可以在結(jié)合該材料的成型性質(zhì)及其使用要求的前提下,嘗試采用一種或多種成型方法組合使用,以便獲得更好的效果。4加強光學塑料使用環(huán)境的確定對于選定的材料,為了增強耐磨性,增強抗靜電性,防止落灰、擦傷和磨傷,需要對光學元件進行鍍膜處理,以便達到使用要求。首先,由于數(shù)碼產(chǎn)品的特殊性,對于靜電需要做相應的處理,因此對光學塑料要進行防靜電處理。其次,考慮到使用者的使用環(huán)境,應當通過表面處理增加耐磨性,通常涂有機硅化合物溶液膜的真空蒸發(fā)鍍氧化硅膜,是鍍制耐磨膜的極簡單又有效的方法。另外也可以在適當?shù)臈l件下,鍍增透膜,可以進一步提高光學塑料的透光性,從而達到更好的使用效果。但是鍍膜過程中,應考慮材料的性質(zhì),在不影響光學性能的前提下,采取合適的方法增加附著力。5光