光学材料包含光学玻璃、工程塑料、天然晶体、人工晶体，以及若干种金属，如锆、银、金、镍、锗、铍及其若干金属和非金属氧化物。 作为光学材料，必须满足一些基本要求，如要具有良好的机械性能和化学稳定性，可加工性，具有均匀的折射率分布等。 用作镜头的光学材料，最重要的性能是折射率和透过率，这两个物理量都随波长变化，是波长的函数。折射率随波长的变化称为散。影响光学材料透过率的主要因素有界面的反射损失和材料的吸收损失。对反射用的光学材料而言，反射率是最重要的指标。 光学镀膜是在光学元件（透镜、棱镜、反射镜等）表面镀上单层或多层金属或非金属薄膜以改善光学性能，例如：增透膜，反射膜，半反半透膜，以及其它特殊用途的膜层。
§1.透射光学材料的特性
一． 光能的反射和吸收损失
根据菲涅尔公式，光由普通介质材料表面反射的系数为：
式中和是入射角和折射角。
当光垂直入射时：
式中：和透镜表面前后介质的折射率。
对于透镜来说，表面的反射是一种光能损失。对于由个表面组成的光学系统，不计材料的吸收损失时，其透过率为：
在光学系统中，胶合面两边介质的折射率差通常小于0.3，因此，反射损失通常小于，可以忽略不计。
光经过光学材料时，光能量难免不被吸收，光经过厚度为mm的光学材料，如果只计吸收，其透过率为
式中：a为材料的吸收系数
如果把光学材料表面的反射损失和材料内部的吸收损失均考虑在内，则光学系统的透过率是其表面透过率和材料内部透过率的乘积：
上面只是适用于各反射面的反射率相同的情况。对于空气中的单透镜来说，两个反射面（折射面）的反射率以及透过率不同，则透过率为
如果忽略材料的内部吸收（），则单透镜：
二． 折射率
光学材料的折射率是光学材料的另一个重要的指标参数，它是波长的函数，如图4－1所示。
光学材料的折射率随波长的变化规律现在还没有到一个统一的公式，只有一些经验公式：
1. 柯西（Cauchy）公式：
2. 哈特曼（Hartmann）公式之一：
3. 哈特曼（Hartmann）公式之二： 图4－1 光学材料的折射率随光波长的变化
4. 康拉第（Conrady）公式：
5. 凯特勒－德鲁特（Kettler－Drude）公式：
6. 赛尔梅尔（Sellmeier）公式：
7. 赫兹博格（Hertzberger）公式：
三.光学材料的特征折射率
对于在可见光范围内使用的光学材料，一般用它对于线（氦：＝587.6nm）的折射率或者D线（钠：＝589.3nm）的折射率或（称为平均折射率），以及平均散公式（线，氢：＝486.1nm；线，氢：＝656.3nm），来表征材料的折射率特征。
平均折射率和平均散之间的关系为：
其中称为材料的阿贝数。
在一般情况下，用平均折射率和阿贝数来表征光学材料的折射率特性，但在分析二级光谱时，还要知道相对部分散：
§2.普通光学玻璃
在可见光区域和近红外区域，光学玻璃几乎是一种理想的光学材料，它性能稳定，容易加工，均匀性好，透过率高，价格适中，而且光学玻璃的折射率范围较大（1.45～1.90），散范围（＝25～70）。这些优点是光学玻璃在光学仪器中广泛应用的主要原因。
光学玻璃的折射率（）和阿贝数之间的关系可用图表的形式表示出来，如图4－2所示。
图4－2 玻璃光学材料的折射率与阿贝数
光学玻璃的主要成分是二氧化硅（）,通过掺杂不同的元素而使其性能发生变化。光学玻璃分为两大类，即冕牌玻璃和火石玻璃。冕牌玻璃的阿贝数通常等于或大于50，火石玻璃的阿贝数通常小于50。
还有一类光学玻璃是稀土玻璃，是在玻璃原料中加进适量的稀土元素而构成的。其特点是折射率和阿贝数都较高。
光学玻璃主要按下列质量指标进行分类和分级：
1. 折射率、散系数等与标准值的允许差值
2. 同一批玻璃中，折射率与散系数的一致性
3. 光学均匀性
4. 应力双折射
5. 条纹度
6. 气泡度
7. 光吸收系数
8. 耐辐射性能
§3.有光学玻璃
有光学玻璃是这样一类材料，它们透过特定颜的光。它在规定的光谱范围内的透过和吸收性能称为光谱特性。
有光学玻璃分为离子着和胶体着两大类。离子着是利用过渡金属和二价铜稀土元素等离子对光谱区的吸收作用制成的玻璃，包括紫、蓝、绿和中性滤光片等玻璃。胶体着是以硫化镉、硒化镉等半导体化合物为着剂的，其光谱特性是吸收短波长区域，在滤光玻璃中的黄、橙、红属于这一类玻璃。
有玻璃主要用来制作滤镜，用在观察、电影、电视、度等领域。
有光学玻璃按照吸收率的光谱曲线参数、双折射、条纹度、气泡度等质量指标分类和分级。
§4.特殊光学材料
普通光学玻璃不能完全满足光学仪器的基本物理要求，如在冷热变化剧烈或在冷热变化范围大的环境中使用的光学仪器，在红外波段工作的光学仪器，在核辐射环境下工作的光学仪器，在潮湿环境下工作的光学仪器等，均需要一些具有特殊性能的光学玻璃。
一. 低膨胀玻璃
一些硼硅酸盐玻璃的膨胀系数低于普通玻璃膨胀系数的一半，在/℃之间。
熔石英，这种高纯度的二氧化硅材料，其膨胀系数为/℃。它的紫外和红外透过率均超过普通玻璃。它还具有很强的耐辐射能力。
二. 红外光学材料
在红外波长下工作的光学仪器越来越多，特别是在军事方面，应用越来越广泛。
1. 玻璃类：
⑴. 密度较大的火石玻璃：其折射率为1.8～1.9，透过率可延伸到4～5
⑵. 砷硒玻璃：透过率由0.8延伸到8，但它致命的缺点是，在
70℃时就软化或变为可流动的胶体了
⑶. 砷的三硫化合物玻璃：透过率为0.6～13
⑷. 熔石英玻璃：透过率为0.2～0.3
2. 金属氯化物、氟化物、溴化物、碘化物。
3. 天然晶体和人工晶体。
三. 耐辐射材料
高纯度的熔石英是典型的耐核辐射的光学材料。
四. 耐潮湿及耐腐蚀玻璃
在热带亚热带使用的光学仪器要求耐潮湿；在海上和水下使用的光学仪器不但要耐潮湿，还要耐盐雾和水的直接侵蚀，这就需要耐潮湿和耐腐蚀的光学玻璃。
通常，冕牌玻璃耐潮湿和耐腐蚀的能力要优于火石玻璃。现在多采用在光学元件表面镀上三防膜（防潮、防腐、防盐雾）的办法来增加光学玻璃的耐潮湿和耐腐蚀的性能。
§5.晶体材料
随着现代科学技术的发展，光学晶体的应用已超出了传统的应用范畴，进入到声光、电光、磁光和激光领域。绝大多数光学晶体的透光范围远远超过普通玻璃，在紫外和红外均有很好的透过，因此可以用它们制作紫外和红外仪器中的窗口、分光棱镜、透镜等。此外，利用晶体的双折射性质，还可以制作偏振元件。
石英晶体和方解石因其双折射而限制了他们的应用，主要用来制作偏振元件。
蓝宝石特别硬，通常用做窗口材料和干涉滤光片的基底。
卤素类具有良好的透过率，但物理性能较差，较软，易碎，有时还吸湿和潮解。
锗和硅是红外装置中广泛采用的材料。
氧化钙，在超紫外和红外有很好的透过率。此外，它的部分散特性使得它同光学玻璃组
合后，可以消除二级光谱。
天然晶体远远满足不了现代光学工程发展的需要，特别是激光技术的出现和发展，对晶体材料的性能和质量都提出了更高的要求，为此，人工晶体得到迅速发展，除了很早的熔石英外，固体激光器用的很多晶体都被生长出来了。
光学晶体按下列各项指标分级和分类：
1. 折射率和平均散（）与标准值的允许偏差
2. 紫外（0.2）和红外（5）处的透过率与标准值的比较
3. 应力双折射
4. 散射颗粒度
5. 白光吸收系数
6. 光学均匀性
§6.塑料光学材料
在精密光学工程中，现在还很少使用塑料光学材料，主要是因为塑料太软，加工困难，膨胀系数大，工作温度太低，折射率温度系数大，不适于在温差大的环境中使用。
塑料也有优点，如容易压膜成型，可大规模生产， 图4－3 塑料材料的折射率与阿贝数
成本低，重量小，
耐冲击力强等优点。
目前，只在放大镜、玩具光学、眼镜光学、中低档自动相机中得到应用。某些照明系统的聚光镜有时也采用光学塑料。
图4－3给出了部分光学塑料的折射率和阿贝数。
§7.漫射材料
漫射材料就是入射到其表面上的光向所有方向散射，从而导致在不同方向观察，都具有几乎相同的亮度。一个完善的漫射体，在任何角度下均有相同的表观亮度。
反射漫射体，如氧化镁和碳化镁，常用在光学计量中。
透射漫射体，最常用的是乳白玻璃和毛玻璃，常用作后视投影屏。
近年来，出现了腊质屏、微棱镜屏、光珠式屏等透明式漫射体，它们在透明度和均匀性等方面都优于乳白玻璃和毛玻璃。
§8.反射膜
虽然抛光的金属平面或球面有时候也可以用作反射镜表面，但绝大多数光学反射镜是通过在基底的抛光表面上镀一层或多层薄膜的方法得到的。
