Kunststoffmaterialien und Spritzgussverfahren bilden die Grundlage für miniaturisierte Objektive. Der Aufbau eines Kunststoffobjektivs umfasst Linsenmaterial, Objektivtubus, Objektivanschluss, Distanzring, Tönungsfolie, Anpressringmaterial usw.

Es gibt verschiedene Arten von Linsenmaterialien für Kunststofflinsen, die alle im Wesentlichen aus Kunststoff (hochmolekularen Polymeren) bestehen. Sie sind Thermoplaste, also Kunststoffe, die sich beim Erhitzen erweichen und plastisch werden, beim Abkühlen aushärten und beim erneuten Erhitzen wieder erweichen. Es handelt sich um eine physikalische Veränderung, die durch Erhitzen und Abkühlen einen reversiblen Übergang zwischen flüssigem und festem Zustand ermöglicht. Einige Materialien wurden bereits früher entwickelt, andere sind relativ neu. Manche sind universell einsetzbare Kunststoffe, andere sind speziell entwickelte optische Kunststoffe, die in bestimmten optischen Bereichen Anwendung finden.

Im Bereich der optischen Konstruktion begegnen uns Materialbezeichnungen verschiedener Hersteller, wie beispielsweise EP8000, K26R, APL5015, OKP-1 usw. Sie alle gehören zu einer bestimmten Kunststoffart, wobei die folgenden Typen besonders verbreitet sind. Wir ordnen sie nach ihrem Erscheinungsdatum:

Die Kunststofflinsen

• l PMMA/Acryl:Polymethylmethacrylat (Plexiglas, Acrylglas) ist aufgrund seines günstigen Preises, seiner hohen Lichtdurchlässigkeit und seiner hohen mechanischen Festigkeit der am häufigsten verwendete Glasersatz. Die meisten transparenten Kunststoffe, wie z. B. transparente Teller, Löffel und kleine LEDs, Linsen usw., werden aus PMMA hergestellt. PMMA wird seit den 1930er Jahren in Massenproduktion hergestellt.
• PS:Polystyrol ist ein farbloser und transparenter thermoplastischer Kunststoff sowie ein technischer Kunststoff, dessen Massenproduktion in den 1930er Jahren begann. Viele der weißen Schaumstoffboxen und Brotdosen, die in unserem Alltag üblich sind, werden aus PS-Materialien hergestellt.
• PC:Polycarbonat (PC) ist ein farbloser und transparenter, amorpher thermoplastischer Kunststoff und ein vielseitig einsetzbarer Kunststoff. Seine industrielle Verarbeitung begann erst in den 1960er Jahren. PC ist sehr schlagfest und wird beispielsweise für Wasserspender und Schutzbrillen verwendet.
• l COP & COC:Cyclisches Olefinpolymer (COP), cyclisches Olefinpolymer; cyclisches Olefincopolymer (COC). Cyclisches Olefincopolymer ist ein amorphes, transparentes Polymermaterial mit Ringstruktur und Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen. Die cyclischen Kohlenwasserstoffe werden aus cyclischen Olefinmonomeren durch Selbstpolymerisation (COP) oder Copolymerisation (COC) mit anderen Molekülen (wie z. B. Ethylen) hergestellt. COP und COC weisen nahezu identische Eigenschaften auf. Dieses Material ist relativ neu. Ursprünglich wurde es hauptsächlich für optische Anwendungen entwickelt. Heute findet es breite Anwendung in der Folien-, Linsen-, Display- und Medizintechnik (Verpackungsflaschen). Die industrielle Produktion von COP wurde um 1990, die von COC vor 2000 abgeschlossen.
• l O-PET:Optische Polyesterfasern, O-PET, wurden in den 2010er Jahren in Osaka kommerzialisiert.

Bei der Analyse eines optischen Materials konzentrieren wir uns hauptsächlich auf dessen optische und mechanische Eigenschaften.

Optisches pSeilereien

• Brechungsindex und Dispersion

Brechungsindex und Dispersion

Aus diesem Übersichtsdiagramm geht hervor, dass sich verschiedene optische Kunststoffe grundsätzlich in zwei Gruppen einteilen lassen: eine Gruppe mit hohem Brechungsindex und hoher Dispersion, die andere mit niedrigem Brechungsindex und geringer Dispersion. Vergleicht man den Bereich von Brechungsindex und Dispersion bei Glasmaterialien, so zeigt sich, dass der Brechungsindexbereich bei Kunststoffen sehr eng ist und alle optischen Kunststoffe einen relativ niedrigen Brechungsindex aufweisen. Generell ist die Auswahl an Kunststoffen geringer, und es gibt nur etwa 10 bis 20 handelsübliche Materialsorten, was die Gestaltungsfreiheit optischer Bauteile hinsichtlich der Materialwahl stark einschränkt.

Der Brechungsindex variiert mit der Wellenlänge: Bei optischen Kunststoffen nimmt der Brechungsindex mit der Wellenlänge zu, bei anderen nimmt er leicht ab, und insgesamt ist er relativ stabil.

Der Brechungsindex ändert sich mit der Temperatur (Dn/dT): Der Temperaturkoeffizient des Brechungsindex optischer Kunststoffe ist 6- bis 50-mal größer als der von Glas und somit negativ. Das bedeutet, dass der Brechungsindex mit steigender Temperatur abnimmt. Beispielsweise beträgt der dn/dT-Wert des Kunststoffs bei einer Wellenlänge von 546 nm und einem Temperaturbereich von -20 °C bis 40 °C -8 bis -15 × 10⁻⁵/°C, während der Wert des Glases NBK7 hingegen 3 × 10⁻⁶/°C beträgt.

• Übertragung

Die Transmission

Wie in dieser Abbildung zu sehen ist, weisen die meisten optischen Kunststoffe eine Lichtdurchlässigkeit von über 90 % im sichtbaren Lichtbereich auf. Auch im Infrarotbereich von 850 nm und 940 nm, der in der Unterhaltungselektronik häufig vorkommt, ist ihre Lichtdurchlässigkeit gut. Die Lichtdurchlässigkeit von Kunststoffen nimmt jedoch mit der Zeit ab. Hauptgrund dafür ist die Absorption ultravioletter Strahlen durch den Kunststoff. Dadurch werden die Molekülketten aufgebrochen, was zu Abbauprozessen und Vernetzungen führt und somit die physikalischen und chemischen Eigenschaften verändert. Die auffälligste makroskopische Folge ist die Vergilbung des Kunststoffs.

• Stressdoppelbrechung

Linsenbrechung

Spannungsdoppelbrechung (Doppelbrechung) ist eine optische Materialeigenschaft. Der Brechungsindex eines Materials hängt vom Polarisationszustand und der Ausbreitungsrichtung des einfallenden Lichts ab. Materialien weisen je nach Polarisationszustand unterschiedliche Brechungsindizes auf. Bei manchen Systemen ist diese Brechungsindexabweichung sehr gering und hat keine großen Auswirkungen. Bei bestimmten optischen Systemen hingegen kann sie die Systemleistung erheblich beeinträchtigen.

Kunststoffe selbst weisen keine anisotropen Eigenschaften auf, jedoch führt das Spritzgießen von Kunststoffen zu Spannungsdoppelbrechung. Hauptursache hierfür sind die beim Spritzgießen entstehenden Spannungen und die Anordnung der Kunststoffmakromoleküle nach dem Abkühlen. Die Spannungen konzentrieren sich in der Regel in der Nähe der Einspritzöffnung, wie in der Abbildung unten dargestellt.

Das allgemeine Konstruktions- und Produktionsprinzip besteht darin, die Spannungsdoppelbrechung in der optischen Effektivebene zu minimieren. Dies erfordert eine durchdachte Auslegung der Linsenstruktur, des Spritzgusswerkzeugs und der Produktionsparameter. Von den verschiedenen Materialien neigen Polycarbonat (PC) am stärksten zur Spannungsdoppelbrechung (etwa zehnmal stärker als PMMA), während Polycarbonat (COP), Carbonoxid (COC) und PMMA eine geringere Spannungsdoppelbrechung aufweisen.