光学材料

    作为镜头设计的基础，我觉得也有必要在大的框架上介绍一下常用的光学材料，本文主要参考了Kingslake的《Lens Design Fundamentals》一书。

一、光学玻璃

     光学玻璃的选择在光学设计中扮演着重要角色。几家著名的光学玻璃制造商提供了详细的产品目录，其中尤其是Schott公司的目录，几乎成了一本关于光学玻璃及其特性的教科书。当然，现在外国公司的常用玻璃几乎都可以在国产成都光明的玻璃库里找到，

    光学玻璃大致可以分为冕牌玻璃（Crown Glass）、火石玻璃（Flint Glass）、钡冕玻璃（Barium Crown Glass）等类别，但这些类别的界限并不严格。从光学特性上看，不同的玻璃在折射率、阿贝数和部分色散方面有所不同；从物理特性上看，它们在颜色、密度、热性能、化学稳定性、气泡含量、条纹以及抛光难易程度方面也有所差异。一般来说，火石玻璃具有更高的折射率和更低的阿贝数，而冕牌玻璃正相反，高折射率和低色散往往是不可兼得的。例如H-FK61，它的阿贝数很高（81），色散较低，但是这种玻璃的折射率也不到1.5；而另一种常用的H-ZF88玻璃折射率很高，但是色散也很明显。

    光学玻璃的成本差异巨大，从最常见的普通玻璃到镧玻璃，其价格范围至少有300倍之差。在镜头设计中，如何明智地选择玻璃类型是一大难题。高折射率玻璃可以在光焦度一定的前提下实现更小的镜片曲率，从而减小像差，但这类玻璃通常价格昂贵且密度较大，因此同等重量的玻璃能制成的镜片较少。如果镜头质量至关重要，那么任何玻璃都可以使用；但如果成本重要，就必须尽量降低材料的成本。

    对于小镜头而言，材料成本可能微不足道，但对于大镜头，材料成本可能非常可观，特别是仅有少数几种类型的玻璃可以做的很大，其价格可能随着重量的立方增加而显著上升。

    玻璃的颜色主要由构成这种玻璃的杂质决定，有些制造商提供颜色较少的玻璃，但价格较高。如果需要在近紫外区域有良好的透射率，这一点尤为重要。在非常小或非常薄的镜头中，少量颜色通常无关紧要；而在一些特定的场合，有颜色的玻璃也是可以接受的，因为镜头通常会配合滤光片使用。

    玻璃的成本还因其形状和处理方式而异，例如是否经过退火处理以及气泡度和条纹度低的玻璃价格不同。一些镜头制造商习惯自己模制毛坯，这就需要对这些毛坯进行缓慢退火，以恢复其折射率至稳定的最大值；这个值在制造商提供的熔融片上有标注。

    现代镜头设计软件的一个非常有用的功能是它们包含了各种供应商提供的光学玻璃的光学特性详细目录，以及许多塑料和红外有用材料的目录。这使得设计师在选择材料时有了更多的参考和便利。

    通过以上对光学玻璃的深入探讨，可以看出，光学玻璃的选择不仅仅是一个简单的决定，它涉及到多个方面的权衡和考虑。随着材料科学和制造技术的不断进步，我们期待未来能有更多高性能材料和更经济的制造工艺出现，为光学设计提供更广阔的选择空间。

二、红外材料

    总的来说，红外材料不像可见光波段这样具有丰富的选择，一般我们常用的都是硅、锗这样的晶体。红外透过材料本身就是一个独立的研究领域，许多书籍和期刊上都刊登了关于这些物质及其特性的文章。由于选择有限，而中红外也好，长波红外也好，涉及的波段范围又比较宽，同时红外材料普遍对温度又比较敏感，所以红外波段的消色差和无热化是有一定难度的。好在红外玻璃例如AMTIR1的使用一定程度上改善了这一点。另外需要注意的是，和锗相比硅比较脆，所以虽然红外波段可以通过单点金刚石车削快速低成本的制造高次非球面，但是尽量不要用硅透镜作为非球面透镜。

    除了少数例外，这些红外材料通常在可见光范围内无法使用，而硫化锌和硒化锌在可见光波段具有一定的透过率，某些情况在可见光波段使用这两种材料会起到很好的效果，当然，由于光谱透过率的原因，这两种材料是有很明显的颜色的。

    相应的，在近红外波段，我们也可以使用常规的玻璃，这在各类近红外光谱仪器中非常常见。

三、紫外材料

    在光谱的紫外区域，我们同样只有相对较少的几种材料可供选择，包括紫外级熔融石英、水晶、氟化钙、氟化镁、蓝宝石和氟化锂，以及一些在薄片时可用的轻质玻璃。随着集成电路、半导体和激光技术的兴起，为了制造出更精细的掩模并将图像投影到硅片上，对光学系统的分辨率要求越来越高。过去几十年里，全球相关领域的科技公司在紫外光学系统的设计和制造方面投入了大量精力。这些光学系统有时是折反射系统，但有时也使用纯折射系统。需要注意的是，由于材料、制造和装调的难度，这些镜头直到今天也非常昂贵。

四、光学塑料

    尽管适用于镜头制造的光学塑料种类有限，但自第一次世界大战以来，尤其是自20世纪50年代初以来，塑料在这一领域得到了广泛应用。

    自那时起，数亿个塑料镜片被用于廉价相机，并且现在在眼镜和手机镜头中也被经常使用。

    1959年，柯达公司首次推出了F/#8的塑料三片组镜头，其中代替冕牌玻璃的是PMMA，而代替火石玻璃的是苯乙烯和丙烯腈的共聚物。和玻璃相比，现有光学塑料的折射率通常非常低。但是对于大规模批量生产的镜头，使用塑料可以制造出各种低成本非球面。例如现在各个模组厂都在大规模使用塑料，而专业摄影镜头里面所说的非球面以及衍射面，基本上也是用塑料做的。

    由于折射率和色散数据受聚合度和温度等因素的影响，在各种表格中，塑料的光学特性数据并不是非常精确。光学设计师在选择塑料材料时，应确保材料数据对于预期用途具有足够的有效性。

优点：

1、易于大规模制造且经济：塑料镜头可以大批量生产，制造成本低。

2、原材料成本低：塑料的原材料相对便宜，降低了整体成本。

3、一次成型：可以在一次操作中将镜头和镜座一起制造出来，提高生产效率。

4、厚度和空气间距容易保持：塑料镜头的制造过程中，镜片厚度和空气间距较容易控制。

5、非球面表面易于制造：非球面镜片可以像球面镜片一样容易地制造出来。

6、可以在原材料中添加染料：如果需要，可以在原材料中直接加入染料。

缺点：

1、种类少且折射率低：可用的塑料种类有限，且折射率较低。

2、成品镜头较软：塑料镜片相对于玻璃镜片较为柔软，容易划伤。

3、高热膨胀系数：塑料的热膨胀系数和折射率对温度的敏感度是玻璃的很多倍，影响镜头的热稳定性。

4、平面表面难以制造：受到制造工艺和物理基础的限制，塑料难以制造出平整的表面。

5、模具成本高：制造少量塑料镜头成本较高，因为模具费用昂贵。

6、容易带电吸尘：塑料容易带有静电，从而吸附灰尘。

7、难以粘接和镀膜：塑料镜头难以进行粘接，镀膜也相对困难。

     尽管存在这些问题，塑料镜头在许多应用中仍表现出色，现在已经在消费电子领域占据了统治地位。随着制造和材料技术的进步，塑料镜头的应用范围将不断扩大。在某些情况下，玻璃镜头和塑料镜头还可以有效地结合使用，进一步提升光学系统的性能。

五、总结

    光学设计师在面对各种材料时，需要深入了解其光学特性、物理特性以及制造成本等方面的信息，并在此基础上做出明智的选择。虽然每种材料都有其局限性，但在实际应用中，我们也可以通过巧妙地结合不同材料，克服其缺点，进一步提升光学系统的性能。

    在镜头设计中，光学材料的选择是一个涉及多方面权衡和考虑的复杂过程。从光学玻璃到红外材料、紫外材料再到光学塑料，每种材料都有其独特的优点和挑战。随着材料科学和制造技术的不断发展，我们期待未来会有更多高性能材料和更经济的制造工艺出现，为光学设计提供更广阔的选择空间。

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