วัสดุพลาสติกและการฉีดขึ้นรูปเป็นพื้นฐานสำหรับการผลิตเลนส์ขนาดเล็ก โครงสร้างของเลนส์พลาสติกประกอบด้วยวัสดุเลนส์ ตัวเลนส์ ฐานยึดเลนส์ ตัวเว้นระยะ แผ่นบังแสง วัสดุวงแหวนแรงดัน เป็นต้น

วัสดุที่ใช้ทำเลนส์พลาสติกมีหลายประเภท ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วล้วนเป็นพลาสติก (พอลิเมอร์โมเลกุลสูง) จัดเป็นเทอร์โมพลาสติก พลาสติกที่อ่อนตัวและกลายเป็นพลาสติกเมื่อได้รับความร้อน แข็งตัวเมื่อเย็นลง และอ่อนตัวลงเมื่อได้รับความร้อนอีกครั้ง เป็นการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงแบบย้อนกลับได้ระหว่างสถานะของเหลวและของแข็งโดยใช้ความร้อนและความเย็น วัสดุบางชนิดถูกคิดค้นขึ้นมานานแล้ว และบางชนิดก็ค่อนข้างใหม่ บางชนิดเป็นพลาสติกที่ใช้ทั่วไป และบางชนิดเป็นวัสดุพลาสติกทางด้านทัศนศาสตร์ที่พัฒนาขึ้นมาโดยเฉพาะ ซึ่งใช้ในงานด้านทัศนศาสตร์บางประเภทโดยเฉพาะ

ในการออกแบบทางด้านทัศนศาสตร์ เราอาจพบเห็นวัสดุเกรดต่างๆ จากบริษัทต่างๆ เช่น EP8000, K26R, APL5015, OKP-1 และอื่นๆ วัสดุเหล่านี้ล้วนเป็นพลาสติกประเภทหนึ่ง และประเภทต่อไปนี้เป็นประเภทที่พบได้บ่อยกว่า โดยเราจะจัดเรียงตามช่วงเวลาที่เริ่มปรากฏ:

เลนส์พลาสติก

• l พีเอ็มเอ/อะคริลิก:โพลีเมทิลเมทาคริเลต (PMMA) หรือที่รู้จักกันในชื่อเพล็กซิกลาส (plexiglass, acrylic) เนื่องจากราคาถูก ความโปร่งใสสูง และความแข็งแรงเชิงกลสูง PMMA จึงเป็นวัสดุที่ใช้แทนกระจกกันอย่างแพร่หลายในชีวิตประจำวัน พลาสติกโปร่งใสส่วนใหญ่ทำจาก PMMA เช่น จานโปร่งใส ช้อนโปร่งใส และหลอด LED ขนาดเล็ก เลนส์ เป็นต้น PMMA ถูกผลิตในปริมาณมากตั้งแต่ทศวรรษ 1930 เป็นต้นมา
• ปล.โพลีสไตรีน (Polystyrene) เป็นเทอร์โมพลาสติกใสไม่มีสี และเป็นพลาสติกวิศวกรรมที่เริ่มผลิตในปริมาณมากในช่วงทศวรรษ 1930 กล่องโฟมสีขาวและกล่องอาหารกลางวันที่พบเห็นได้ทั่วไปในชีวิตประจำวันของเราจำนวนมากทำจากวัสดุโพลีสไตรีน
• พีซี:โพลีคาร์บอเนต (Polycarbonate) เป็นเทอร์โมพลาสติกอสัณฐานที่ไม่มีสีและโปร่งใส และเป็นพลาสติกอเนกประสงค์อีกชนิดหนึ่ง เริ่มมีการนำมาใช้ในเชิงอุตสาหกรรมในช่วงทศวรรษ 1960 วัสดุ PC มีความทนทานต่อแรงกระแทกได้ดีมาก การใช้งานทั่วไป ได้แก่ ถังใส่น้ำ แว่นตา เป็นต้น
• l COP & COC:พอลิเมอร์โอเลฟินแบบวงแหวน (COP) หรือโคพอลิเมอร์โอเลฟินแบบวงแหวน (COC) เป็นวัสดุพอลิเมอร์โปร่งใสที่ไม่มีโครงสร้างผลึก มีโครงสร้างเป็นวงแหวน โดยมีพันธะคู่คาร์บอน-คาร์บอนอยู่ในวงแหวน ไฮโดรคาร์บอนแบบวงแหวนเหล่านี้ผลิตขึ้นจากโมโนเมอร์โอเลฟินแบบวงแหวนโดยการพอลิเมอไรเซชันด้วยตนเอง (COP) หรือการโคพอลิเมอไรเซชัน (COC) กับโมเลกุลอื่นๆ (เช่น เอทิลีน) คุณสมบัติของ COP และ COC เกือบจะเหมือนกัน วัสดุนี้ค่อนข้างใหม่ เมื่อแรกเริ่มคิดค้นขึ้นมานั้น ส่วนใหญ่ถูกนำไปพิจารณาใช้ในงานที่เกี่ยวข้องกับด้านทัศนศาสตร์ ปัจจุบันมีการใช้งานอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมฟิล์ม เลนส์ จอแสดงผล และการแพทย์ (ขวดบรรจุภัณฑ์) COP เริ่มผลิตในระดับอุตสาหกรรมประมาณปี 1990 และ COC เริ่มผลิตในระดับอุตสาหกรรมก่อนปี 2000
• l O-PET:เส้นใยโพลีเอสเตอร์เชิงแสง (O-PET) เริ่มวางจำหน่ายในเชิงพาณิชย์ในโอซาก้าในช่วงทศวรรษ 2010

ในการวิเคราะห์วัสดุทางแสง เราจะให้ความสำคัญกับคุณสมบัติทางแสงและทางกลของวัสดุนั้นเป็นหลัก

ออปติคอล pทรัพย์สิน

• ดัชนีหักเหและการกระจายแสง

ดัชนีหักเหและการกระจายแสง

จากแผนภาพสรุปนี้ จะเห็นได้ว่าวัสดุพลาสติกทางแสงชนิดต่างๆ โดยพื้นฐานแล้วแบ่งออกเป็นสองกลุ่ม คือ กลุ่มที่มีดัชนีหักเหสูงและการกระจายแสงสูง และกลุ่มที่มีดัชนีหักเหต่ำและการกระจายแสงต่ำ เมื่อเปรียบเทียบช่วงค่าดัชนีหักเหและการกระจายแสงของวัสดุแก้ว เราจะพบว่าช่วงค่าดัชนีหักเหของวัสดุพลาสติกนั้นแคบมาก และวัสดุพลาสติกทางแสงทุกชนิดมีดัชนีหักเหค่อนข้างต่ำ โดยทั่วไปแล้ว ช่วงตัวเลือกของวัสดุพลาสติกนั้นแคบกว่า และมีเพียงประมาณ 10 ถึง 20 เกรดวัสดุเชิงพาณิชย์ ซึ่งจำกัดอิสระในการออกแบบทางแสงในแง่ของวัสดุเป็นอย่างมาก

ดัชนีหักเหแปรผันตามความยาวคลื่น: ดัชนีหักเหของวัสดุพลาสติกทางแสงจะเพิ่มขึ้นตามความยาวคลื่น ดัชนีหักเหจะลดลงเล็กน้อย และโดยรวมแล้วจะค่อนข้างคงที่

ดัชนีหักเหเปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิ Dn/dT: ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของดัชนีหักเหของพลาสติกทางแสงมีค่ามากกว่าของแก้วถึง 6 ถึง 50 เท่า ซึ่งเป็นค่าลบ หมายความว่าเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ดัชนีหักเหจะลดลง ตัวอย่างเช่น สำหรับความยาวคลื่น 546 นาโนเมตร ในช่วงอุณหภูมิ -20°C ถึง 40°C ค่า dn/dT ของวัสดุพลาสติกจะมีค่าเป็น -8 ถึง -15 x 10⁻⁵/°C ในขณะที่ค่าของวัสดุแก้ว NBK7 มีค่าเป็น 3 x 10⁻⁶/°C

• การส่งผ่าน

การส่งผ่าน

จากภาพนี้ พลาสติกสำหรับงานด้านทัศนศาสตร์ส่วนใหญ่มีค่าการส่งผ่านแสงมากกว่า 90% ในช่วงแสงที่มองเห็นได้ และยังมีค่าการส่งผ่านแสงที่ดีสำหรับช่วงอินฟราเรดที่ 850 นาโนเมตรและ 940 นาโนเมตร ซึ่งเป็นช่วงที่พบได้ทั่วไปในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค อย่างไรก็ตาม ค่าการส่งผ่านแสงของวัสดุพลาสติกจะลดลงในระดับหนึ่งเมื่อเวลาผ่านไป สาเหตุหลักคือพลาสติกดูดซับรังสีอัลตราไวโอเลตจากแสงแดด ทำให้สายโซ่โมเลกุลแตกตัวและเกิดการเสื่อมสภาพและการเชื่อมโยงข้าม ส่งผลให้คุณสมบัติทางกายภาพและเคมีเปลี่ยนแปลงไป สิ่งที่เห็นได้ชัดเจนที่สุดในระดับมหภาคคือการเปลี่ยนเป็นสีเหลืองของวัสดุพลาสติก

• การหักเหของแสงในสภาวะความเครียด

การหักเหของเลนส์

การหักเหสองทิศทางเนื่องจากความเครียด (Birefringence) เป็นคุณสมบัติทางแสงของวัสดุ ดัชนีหักเหของวัสดุมีความสัมพันธ์กับสถานะโพลาไรเซชันและทิศทางการแพร่กระจายของแสงตกกระทบ วัสดุจะมีดัชนีหักเหที่แตกต่างกันสำหรับสถานะโพลาไรเซชันที่แตกต่างกัน สำหรับบางระบบ การเปลี่ยนแปลงของดัชนีหักเหนี้มีขนาดเล็กมากและไม่มีผลกระทบต่อระบบมากนัก แต่สำหรับระบบทางแสงบางระบบ การเปลี่ยนแปลงนี้มากพอที่จะทำให้ประสิทธิภาพของระบบลดลงอย่างรุนแรง

วัสดุพลาสติกเองไม่ได้มีคุณสมบัติแอนไอโซโทรปิก แต่การฉีดขึ้นรูปพลาสติกจะทำให้เกิดการหักเหของแสงเนื่องจากความเค้น สาเหตุหลักมาจากความเค้นที่เกิดขึ้นระหว่างการฉีดขึ้นรูปและการจัดเรียงตัวของโมเลกุลขนาดใหญ่ของพลาสติกหลังจากเย็นตัวลง โดยทั่วไปแล้วความเค้นจะกระจุกตัวอยู่ใกล้กับจุดฉีด ดังแสดงในรูปด้านล่าง

หลักการออกแบบและการผลิตโดยทั่วไปคือการลดการเกิดการหักเหของแสงเนื่องจากความเค้นในระนาบแสงที่มีประสิทธิภาพให้เหลือน้อยที่สุด ซึ่งต้องอาศัยการออกแบบโครงสร้างเลนส์ แม่พิมพ์ฉีดขึ้นรูป และพารามิเตอร์การผลิตที่เหมาะสม ในบรรดาวัสดุหลายชนิด วัสดุ PC มีแนวโน้มที่จะเกิดการหักเหของแสงเนื่องจากความเค้นมากกว่า (ประมาณ 10 เท่าของวัสดุ PMMA) ในขณะที่วัสดุ COP, COC และ PMMA มีการหักเหของแสงเนื่องจากความเค้นต่ำกว่า