光學(xué)高分子材料簡述及性能表征

光學(xué)高分子材料簡述及性能表征摘要：高分子材料在光學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，作為大型光學(xué)元器件的背投屏幕更是利用先進的高分子材料技術(shù)獲得了各種優(yōu)異的性能。簡單介紹了背投屏幕的分類、材料和制造工藝，以及光學(xué)高分子材料的歷史、分類和新的發(fā)展，以及主要性能表征。

前言：背投屏幕是背投顯示的終端，在很大程度上影響整個光學(xué)顯示系統(tǒng)的性能。背投屏幕分為背投軟質(zhì)屏幕、背投散射屏幕和背投光學(xué)屏幕。背投軟質(zhì)屏幕具備廉價、運輸安裝方便等優(yōu)點，但是亮度均勻性比較差、嚴重的“亮斑效應(yīng)”、光能利用率低、可視角度小等。分辨率低和對比度低。散射屏幕視角大、增益低、“亮斑效應(yīng)”明顯。采用不同的工藝制造。有些采用在壓克力板材表面進行霧化處理，增加散射。有些應(yīng)用消眩光玻璃模具復(fù)制表面結(jié)構(gòu)，基材內(nèi)添加光擴散劑及調(diào)色劑制造。有些為降低成本直接在透明塑料板材表面粘貼背投軟質(zhì)屏幕制造。現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的就是微結(jié)構(gòu)光學(xué)型背投影屏幕。光學(xué)型背投影屏幕指的是利用微細光學(xué)結(jié)構(gòu)來完成光能分布、實現(xiàn)屏幕功能的這一類屏幕。主要有FL型（Fresnellens-lenticularlenses）、FD型(Frensnellens-Diffusioncover)、FLD型（Fresnellens-Lenticularlenses-Diffusioncover）、BS型(Fresnellens-Lenticularlenses-Blackstrips)。

微光學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)制主要采用模壓或鑄造等復(fù)制技術(shù)。鑄塑又稱澆鑄，它是參照金屬澆鑄方法發(fā)展而來的。該成型方法是將已準備好的澆鑄原料（通常是單體，或經(jīng)初步聚合或縮聚的漿狀聚合物與單體的溶液等）注入一定的模具中，使其發(fā)生聚合反應(yīng)而固化，從而得到與模具型腔相似的制件。這種方法也稱為靜態(tài)鑄塑法。靜態(tài)鑄塑技術(shù)可用來將電鑄鎳模具板上的微光學(xué)圖形轉(zhuǎn)移到塑料表面。鑄塑法得到的制件無針眼，無內(nèi)力應(yīng)變，無分子取向。重要的是，對于非晶態(tài)塑料來說，靜態(tài)鑄塑得到的制件相對于其它工藝一般具有更高的透光率，表現(xiàn)出優(yōu)越的光學(xué)性質(zhì)。背投光學(xué)屏幕屬于大尺寸微光學(xué)元件，由于體積較大用模壓工藝生產(chǎn)存在加工設(shè)備復(fù)雜、成本高、合格率低的缺點，主要用澆鑄工藝來生產(chǎn)。

正文：高分子材料應(yīng)用于光學(xué)領(lǐng)域最早由ArthurKingston開始，他于1934年取得了注射成型塑料透鏡的專利，并將其用在了照相機中。1937年，R．F．Hunter公司制造出了全塑料透鏡的照相機。在二戰(zhàn)期間光學(xué)高分子材料被廣泛用來制作望遠鏡、瞄準鏡、放大鏡及照相機上的透鏡。由于受材料的品種少、質(zhì)量差、加工工藝落后等條件的限制，戰(zhàn)后在光學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用曾一度下降。60年代后，隨著合成技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)高分子的品種不斷增加，加工工藝也得到了改善，同時出現(xiàn)了表面改性技術(shù)，這些因素促成了光學(xué)高分子的迅速發(fā)展，并形成了獨立的光學(xué)高分子市場。

與傳統(tǒng)無機光學(xué)材料相比，盡管光學(xué)高分子材料的耐熱性、耐候性、耐磨性、耐溶劑性、抗吸濕性及光學(xué)均一性（雙折射、光學(xué)畸變）較差，折射率、色散范圍較窄，熱膨脹系數(shù)較大，但是聚合物光學(xué)材料具有密度小、耐沖擊、成本低、加工成型容易等優(yōu)點，近年來得到了廣泛的應(yīng)用。常用光學(xué)高分子材料有烯丙基二甘醇二碳酸酯等幾種熱固性樹脂和聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚4-甲基戊烯-1、苯乙烯-丙烯腈共聚物等熱塑性光學(xué)樹脂。表1-1列出了一些常用光學(xué)高分子材料的特性。

由于傳統(tǒng)光學(xué)塑料的性能無法滿足人們對高性能光學(xué)元器件的要求，因此近年來又開發(fā)了一些新型光學(xué)塑料。如KT-153螺烷樹脂，日本東海光學(xué)公司研制的這種螺烷樹脂是一種含螺烷核的化合物；

OZ-1000樹脂，具有特殊脂環(huán)基結(jié)構(gòu)的甲基丙烯酸酯類的均聚物或共聚物的；

結(jié)構(gòu)有關(guān)。在聚合物材料中，鏈的剛性越大，Tg越高；使體系交聯(lián)也可提高耐熱性。

聚合物的熱穩(wěn)定性是其實際應(yīng)用中的一個重要性質(zhì)。通常隨著溫度的升高，聚合物都會發(fā)生從玻璃態(tài)、高彈態(tài)到黏流態(tài)的力學(xué)變化，最后聚合物會在溫度達到一定程度分解，從而破壞聚合物。聚合物的分解溫度就是其熱穩(wěn)定性的重要指標之一。熱失重法（TG）是目前最常用的一種表征聚合物分解溫度的方法，即在程序升溫的環(huán)境中（空氣或氮氣氛圍），測試試樣的質(zhì)量對溫度的依賴關(guān)系。熱失重法的基本原理：聚合物在溫度的作用下，隨溫度的升高，會發(fā)生相應(yīng)的變化，如水分蒸發(fā)，失去結(jié)晶水，低分子易揮發(fā)物的逸出，物質(zhì)的分解和氧化等。若將物質(zhì)的質(zhì)量變化和溫度變化的信息記錄下來，就可得到物質(zhì)的質(zhì)量溫度的關(guān)系曲線，即熱失重曲線。用熱失重法可求得質(zhì)量和質(zhì)量變化與溫度的關(guān)系，求質(zhì)量變化速率與溫度的關(guān)系，則需將質(zhì)量對溫度求導(dǎo)，即微商熱重法（DTG），描述質(zhì)量變化速率的曲線即為微商熱重曲線。

不同的應(yīng)用要