眼镜片镀膜及镜片制造Word格式文档下载.docx
《眼镜片镀膜及镜片制造Word格式文档下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《眼镜片镀膜及镜片制造Word格式文档下载.docx（12页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
折射光线与入射光线和法线位于同一平面入射角i和折射角r分别由法线与入射光线、折射光线构成。
计算公式:
sini=nsinr
由于透明媒质的光速随着波长而变化，所以折射率的值总是参考某一特定波长表示:
在欧洲和日本，参考波长为e线546.07nm（汞--绿光谱线），但是在美国等其它国家则是d线587.56nm（氦--黄光谱线）。
但这个区别并没有造成实际影响，因为它的区别仅仅反映在折射率值的第三位小数上。
目前市场所采用的镜片材料的折射率范围是从1.5--1.9。
2）色散系数:
阿贝数。
由光波引起的折射率变化会使白光根据不同的折射产生色散现象。
事实上，波长越短，折射率越高，可见光的折射从光谱的红光区延伸到蓝光区。
材料的色散能力可以由阿贝数描述，在欧洲、日本规定用e线，在美国等其他国家规定使用d线。
阿贝数与材料的色散力成反比，镜片材料规定的范围通常从30-60，数值越大即表示色散越少。
一般而言，折射率越高，色散力越大，而阿贝数就越低。
尽管所有镜片都存在色散，但在镜片中心，这个因素可以被忽略，只有在用高色散材料制造的镜片周边部，色散现象才易被察觉。
在这种情况下，色散现象所表现的是离轴物体边缘带有彩色条纹。
（2）光线反射
光线在镜片表面产生折射的同时，也会产生反射现象。
光线反射会影响镜片的清晰度，而且在镜片表面会产生干扰性反射光。
通常，镜片材料的折射率越高，因反射而损失的光线就越多。
当然，对于干扰性反射光可以通过在镜片表面镀多层减反射膜而相应抵消。
（3）光线吸收:
材料的本身吸收光的特性会减少镜片的光线透过率，这部分的光量损失对于非染色眼镜片是可以忽略的，但如果为染色或变色镜片，光的吸收量会很大，这也是此类镜片的设计目的。
眼镜片的光线吸收通常指材料内部的光线吸收，可通过镜片前、后表面吸收光线的百分比表示。
例如，30%的光线吸收相当于30%的光通量在镜片内部的减少。
材料的光线吸收遵循郎伯（Lambert′sLaw）定律，它根据镜片的不同厚度呈指数性的变化。
镜片的光线透过率
镜片的光线透过率指光线通过镜片而没有被反射和吸收的光的总量。
通过镜片抵达眼睛的光通量ΦΥ相当于镜片前表面的入射量Φ，减去镜片前、后表面的反射量Φρ，减去可能被材料吸收的流量Φα，即ΦΥ+Φρ+Φα=Φ。
因此，戴镜者的视觉受三方面的综合影响:
入射光的强度和入射光谱范围、镜片吸收和对光谱的选择、以及眼睛对不同可见波长的敏感度。
（4）光线散射和衍射
1）散射:
散射是光线在各个方向上被散播的一种现象，它一般在固体的表面以及透明材料的内部产生。
理论上眼镜片表面没有散射发生，因为镜片的磨片过程（抛光）消除了这一现象。
然而当镜片由于外界污染而弄脏或表面由于油渍而模糊不清时会产生散射。
同时镜片内部的菜射也非常有限，只在偶尔情况下，可能会使镜片呈现黄色或乳白色。
目前合格的眼镜片只有非常少量的散射光线产生，通常可以忽略不计。
2）衍射:
衍射是当光波遇到小障碍而改变行径方向的一种现象。
在眼镜光学里，衍射现象是需引起重视的，因为衍射会使镜片表面产生异常干扰，尤其是在使用不当或不小心在镜片表面造成的磨损的情况下。
二、机械性质
机械性质通常反映块状固体材料的特性，它规定了材料的质量、体积和尺寸，以及材料对变形和冲击的抵抗力。
我们常见的反映镜片机械性质的特性有:
1、比重;
2、硬度;
3、弹性系数E（或杨氏系数）:
压力和在排除压力后恢复最初形状时产生的相应变形之间的比率。
4、抗冲击性:
常采用由美国食品和药物管理局（FDA）规定的一项落球试验表示。
落球试验即使用一个16克的钢球从1.27M高处对准镜片中心落下的测试。
5、抗断开点:
采用由欧洲标准化委员会制定的"
100牛顿"
CEN静态变形测试。
该测试是在一个恒定速度下增加压力直到100牛顿。
三、热性质
热性质描述了关于材料的变化状态以及温度影响下的特性。
热性质主要包括:
1、热传导系数。
2、比热:
物体温度每升高一摄氏度所需的热量与相同质量的水温每升高一摄氏度所需的热量的比值。
3、线性膨胀系数:
预先设定的温度范围。
4、熔点:
物理常数。
5、沸点。
6、镜片的应力温度。
四、电性质
电性质表示了材料电磁波和电效应的特性，由物理定律决定，有时需将镜片的光学性质与电性质联系。
通常材料制造进需考虑以下参数:
1、介电强度;
2、预定频率下的介电损耗系数。
五、化学性质
化学性质反映了在镜片制造及日常生活中，镜片材料对于化学物质的反应特性，或是在某些极端条件下材料的反应特性。
例如加速老化试验是为了测试材料的可信度。
测试时通常使用冷水、热水、酸类以及各种有机溶剂，在国际标准中也有判断镜片材料的耐火性测试。
-------------------------------------------------------------------------------
第二章基本镜片材料
镜片材料采用透明的介质，主要分为无机和有机二大类。
在我们的日常生活还会碰到一种天然介质水晶镜片，这是用石英矿磨制成的镜片。
古代有水晶能养颜明目的说法，但事实上水晶的主要成分是二氧化硅（sio2），最大优点是硬性度高且不易受潮，但紫外线及红外线的透过率较高，而且水晶中密度不均匀，含杂质，有条纹及气泡等到产生，会形成双折射现象，从而影响视力。
一、无机材料--玻璃
玻璃是非常特殊的不定型材料，在常温下呈现固体，坚硬但易碎，在高温下具有粘性。
玻璃没有固定的化学结构，因而没有确切的熔点。
随着温度的上升，玻璃材料会变软、粘性增加，并逐渐由固体变为液体，这种逐渐变化的特性我们称之为"
玻璃状态"
。
这一特性意味着玻璃在高温时可以被加工和铸型。
玻璃材料制成的镜片具有良好的透光性、表面抛光后更加透明的优点。
（1）普通玻璃材料（1。
5和1。
6）:
折射率为1.523的冕牌玻璃是传统光学镜片的制造材料，其中60%~70%为二氧化硅，其余则由氧化钙、钠和硼等多种物质混合。
有时也将折射率为1.6的镜片划归普通镜片。
（2）高折射率玻璃材料:
经过多年的研究，镜片制造商已经找到了在提高材料折射率的同时又保持低色散的方法，即在玻璃中加入新的化学元素。
早在1975年就生产出了含钛元素的镜片，折射率为1.7，阿贝数为41;
15年之后又生产出了含镧元素的镜片，折射率为1.8，阿贝数为34;
1995年出现折射率为1.9的材料，加入了元素铌，阿贝数为30，这是目前折射率最高的镜片材料。
虽然采用这些材料所制造的镜片越来越薄，然而却没有减少镜片的另一重要参数:
重量。
实际上，随着折射率的增加，材料的比重也随之增加，这样就抵消了因为镜片变薄而带来的重量上的减轻。
（3）染色玻璃材料:
在玻璃材料中混合入一些具有特殊吸收性质的金属盐后会表现出着色的效果，例如:
加镍和钴（紫色），钴和铜（蓝色），铬（绿色），铁，镉（黄色），金，铜和硒（红色）等等。
这些染色镜片材料主要应用于大规模地生产平光太阳镜片或防护镜片。
一些具有特殊过滤性质的浅色材料（棕色、灰色、绿色或粉红色）也被用于生产屈光矫正镜片，但象这种镜片的材料现在的需求并不多，主要原因是由于近视或远视镜片的中心厚度与边缘厚度不同，从而使镜片的颜色深浅不一致，屈光度越高，颜色差异就越明显。
（4）光致变色玻璃材料:
光致变色现象是通过改变材料的光线吸收属性，使材料对太阳光强度作出反应的一种性质。
它的基本原则是使普通的玻璃（包括塑料光致变色材料）在紫外线辐射的影响下颜色变深，以及在周围高温的影响下颜色变淡，这
两个过程是可逆的，而且可能一直存在。
这一现象是通过激活在材料中混合的光致变色物质的分子而完成的。
1962年出现了第一代光致变色玻璃材料,此后性能不断得到改良。
其主要是在玻璃材料中加入了卤化银晶体。
这些晶体在紫外线击幅射下起化学反应，使镜片的颜色变深。
第一代光致变色玻璃材料的变色原理是银原子和氯原子之间的一种电子交换，通过氯化银和周围的环境来表现。
在没有光线的条件下，氯化银呈离子态，因银离子是透明的，所以镜片也是透明的;
而在紫外线辐射下，不稳定电子离开了氯离子，与银离子结合为金属银并吸收光，镜片则变深。
当紫外线辐射减弱，移动电子离开银原子返回氯原子，镜片逐渐恢复了原先的清澈状态。
对一般的光致变色玻璃，变色同时也受到温度的控制，在光照度不变时，温度越低则颜色越深。
光致变色材料大多是灰色和棕色的，俗称灰变和茶变，其它的颜色也可以通过专门的工艺达到。
所有的眼镜片，包括熔化双焦点镜片、渐进镜片都可以使用光致变色材料制造。
近年来，光致变色树脂镜片的发展较快，材料在不断改良，其折射率已不再局限于1.50。
二、有机材料
有机材料可以分为两大类:
热固性材料，具有加热后硬化的性质，爱热不会变形，眼镜片大部分以这种材料为主，如CR-39。
热塑性材料，具有加热后软化的性质，尤其是适合热塑和注塑，聚碳酸酯PC就是这种材料。
（1）热固性材料
1）普通树脂材料:
（CR-39）
学名碳本酸丙烯乙酸，或称烯丙基二甘醇酸脂（DiallyGlycolCarbonates），是应用最广泛的生产普通树脂镜片的材料。
它于四十年代被美国哥伦比亚公司的化学家发现，是美国空军所研制的一系列聚合物中的第39号材料，因此，被称为CR-39（哥伦比亚树脂第39号）。
CR-39被用于生产眼用矫正镜片是在1955~1960年，是第一代的超轻、抗冲击的树脂镜片。
CR-39作为一种热固性材料，单体呈液态，在加热和加入催化剂的条件下聚合固化。
聚合是一个化学反应，即由几个相同分子结构的单体组成的一个新的聚合体分子，具有不同的长度
和性质。
作为光学镜片，CR-39材料性质的参数十分适宜:
折射率为1.5（接近普通玻璃镜片）、密度1.32（几乎是玻璃的一半）、阿贝数为58~59（只有很少的色射）、抗冲击、高透光率，可以进行染色和镀膜处理。
它主要的缺点是耐磨性不及玻璃，需要镀抗磨损膜处理。
树脂镜片可采用模式压法加工镜片表面的曲率，因此很适用于非球面镜片的生产。
2）中高折射率树脂材料:
今天大部分的中折射率和高折射率材料都是热固性树脂，其发展非常迅速。
它们的折射率可以使用以下任意一种技术来增加:
改变原分子中电子的结构，例如:
引入苯环结构;
在原分子中加入重原子，诸如卤素（氯、溴等）或硫。
与传统CR-39相比，用中高折射率树脂材料制造的镜片更轻、更薄。
它们的比重与CR-39大体一致（在1.20到1.40之间），但色散较大（阿贝数45），抗热性能较差，然而抗紫外线较佳，同时也可以染色和进行各种系统的表面镀膜处理。
使用这些材料的镜片制造工艺与CR-39的制造原理大体一致。
现在1.67的树脂材料已广泛流行，而且象1.7的树脂材料也已在市场上有销售。
视光业的专业人员正不断研制开发新材料，改良原有材料，以期树脂材料在将来获得更好的性能。
3）染色树脂材料:
用于制造太阳眼镜镜片的基本上都是聚合前加入染料而制成的，特别适合大批量制造各色平光太阳镜片，同时在材料中加入可吸收紫外线的物质。
现在的一项技术即是使用浸泡在溶有有机色素的热水中，常用的染料有红色、绿色、黄色、蓝色、灰色、和棕色，根据需求可任意调染，颜色的深浅也可以控制，可以将整片镜片染色成一种颜色，也可以染成逐渐变化的颜色，例如镜片上部深色，往下逐渐减浅，即俗称的双色或渐进色。
有机材料的出现，解决了屈光不正者配戴太阳眼镜的问题。
4）光致变色树脂材料:
第一代光致变色树脂镜片大约出现在1986年，但是直到1990年第一代Transi-tion镜片面市后，它才真正开始普及。
光致变色效果是在材料中加入了感光的混合物而获得的，在特殊波段的紫外线辐射作用下，这些感光物质的结构发生变化，改变了材料的吸收能力。
这些混合物与的结合主要有两种方法:
在聚合前与液态单体混合，或在聚合后渗入材料中（Transition镜片就采用后一种方法）。
光致变色树脂镜片采用几种光致变色物质，在最后的制造中使这些不同的
变色效果结合起来，这使得镜片变色不但迅速，而且不完全受温度的控制。
一种新型的光致变色树脂镜片已于1993年投放市场，这种镜片采用树脂材料作片基，用渗透法在镜片的凸面渗透了一层光致变色材料，然后再镀上一层抗磨损膜，起保护和而磨作用。
这项工艺技术可以使镜片的变色不会随屈光度数的加深而出现镜片中央与周围深浅不一的情况，弥补了玻璃变色的不足。
再加上片基是树脂材料，轻且抗冲击，所以这种镜片特别适合用于各种屈光不正者使用。
（2）热塑性材料（聚碳酸酯，POLYCARBONATE，简称PC）
热塑性材料如PMMA早在五十年代就被首次用于制造镜片，但是由于受热易变形及耐磨性较差的缺点，很快就被CR,39所替代。
然而今天，聚碳酸酯的发展将热塑性材料带回了镜片领域，并被视光业专业人士认可为21世纪的主导镜片材料。
实际上，聚碳酸酯也不是一种新材料，它大约在1995年就被发现了，但真正在视光领域的使用仅仅是近
几年，它在历经了数年的研制和多次的改进之后尤其是应用于CD产业，其光学质量已其它镜片材料相媲美。
聚碳酸酯是直线形无定型结构的热塑聚合体，具有许多光学方面的优点:
出色的抗冲击性（是CR,39的10倍以上），高折射率（ne=1.591,nd=1.586）,非常轻（比重,1.20g/立方厘米），100%抗紫外线（385nm）,耐高温（软化点为140?
C/280?
F）。
聚碳酸酯材料也可进行系统的镀膜处理。
它的阿贝数较低（Ve=31,Vd=30）,但在实际中对配戴者并没有显著的影响。
在染色方面，由于聚碳酸酯材料本身不易着色，所以大多通过可染色的抗磨损膜吸收颜色。
第三章镜片镀膜
一、耐磨损膜（硬膜）
无论是无机材料还是有机材料制成的眼镜片，在日常的使用中，由于与灰尘或砂砾（氧化硅）的摩擦都会造成镜片磨损，在镜片表面产生划痕。
与玻璃片相比，有机材料制成的硬性度比较低，更易产生划痕。
通过显微镜，我们可以观察到镜片表面的划痕主要分为二种，一是由于砂砾产生的划痕，浅而细小，戴镜者不容易察觉;
另一种是由较大砂砾产生的划痕，深且周边粗糙，处于中心区域则会影响视力。
（1）技术特征
1）第一代抗磨损膜技术
抗磨损膜始于20世纪70年代初，当时认为玻璃镜片不易磨制是因为其硬度高，而有机镜片则太软所以容易磨损。
因此将石英材料于真空条件下镀在有机镜片表面，形成一层非常硬的抗磨损膜，但由于其热胀系数与片基材料的不匹配，很容易脱膜和膜层脆裂，因此抗磨损效果不理想。
2）第二代抗磨损膜技术
20世纪80年代以后，研究人员从理论上发现磨损产生的机理不仅仅与硬度相关，膜层材料具有“硬度/形变”的双重特性，即有些材料的硬度较高，但变形较小，而有些材料硬度较低，但变形较大。
第二代的抗磨损膜技术就是通过浸泡工艺法在有机镜片的表面镀上一种硬度高且不易脆裂的材料。
3）第三代抗磨损膜技术
第三代的抗磨损膜技术是20世纪90年代以后发展起来的，主要是为了解决有机镜片镀上减反射膜层后的耐磨性问题。
由于有机镜片片基的硬度和减反射膜层的硬度有很大的差别，新的理论认为在两者之间需要有一层抗磨损膜层，使镜片在受到砂砾磨擦时能起缓冲作用，并而不容易产生划痕。
第三代抗磨损膜层材料的硬度介于减反射膜和镜片片基的硬度之间，其磨擦系数低且不易脆裂。
4）第四代抗磨损膜技术
第四代的抗膜技术是采用了硅原子，例如法国依视路公司的帝镀斯（TITUS）加硬液中既含有有机基质，又含有包括硅元素的无机超微粒物，使抗磨损膜具备韧性的同时又提高了硬度。
现代的镀抗磨损膜技术最主要的是采用浸泡法，即镜片经过多道清洗后，浸入加硬液中，一定时间后，以一定的速度提起。
这一速度与加硬液的黏度有关，并对抗磨损膜层的厚度起决定作用。
提起后在100?
C左右的烘箱中聚合4,5小时，镀层厚约3,5微米。
（2）测试方法
判断和测试抗磨损膜耐磨性的最根本的方法是临床使用，让戴镜者配戴一段时间，然后用显微镜观察并比镜片的磨损情况。
当然，这通常是在这一新技术正式推广前所采用的方法，目前我们常用的较迅速、直观的测试方法是:
1）磨砂试验
将镜片置于盛有砂砾的宣传品内（规定了砂砾的粒度和硬度），在一定的控制下作来回磨擦。
结束后用雾度计测试镜片磨擦前后的光线漫反射量，并且与标准镜片作比较。
2）钢丝绒试验
用一种规定的钢丝绒，在一定的压力和速度下，在镜片表面上磨擦一珲的次数，然后用雾度计测试镜片磨擦前后的光线漫反射量，并且与标准镜片作比较。
当然，我们也可以手工操作，对二片镜片用同样的压力磨擦同样的次数，然后用肉眼观察和比较。
上述两种测试方法的结果与戴镜者长期配戴的临床结果比较接近。
3）减反射膜和抗磨损膜的关系
镜片表面的减反射膜层是一种非常薄的无机金属氧化物材料（厚度低于1微米），硬且脆。
当镀于玻璃镜片上时，由于片基比较硬，砂砾在其上面划过，膜层相对不容易产生划痕;
但是减反射膜镀于有机镜片上时，由于片基较软，砂砾在膜层上划过，膜层很容易产生划痕。
因此有机镜片在镀减反射膜前必须要镀抗磨损膜，而且两种膜层的硬度必须相匹配。
二、减反射膜
（1）为什么需要镀减反射膜,
1）镜面反射
光线通过镜片的前后表面时，不但会产生折射，还会产生反射。
这种在镜片前表面产生的反射光会使别人看戴镜者眼睛时，看到的却是镜片表面一片白光。
拍照时，这种反光还会严重影响戴镜者的美观。
2）"
鬼影"
眼镜光学理论认为眼镜片屈光力会使所视物体在戴镜者的远点形成一个清晰的像，也可以解释为所视物的光线通过镜片发生偏折并聚集于视网膜上，形成像点。
但是由于屈光镜片的前后表面的曲率不同，并且存在一定量的反射光，它们之间会产生内反射光。
内反射光会在远点球面附近产生虚像，也就是在视网膜的像点附近产生虚像点。
这些虚像点会影响视物的清晰度和舒适性。
3）眩光
象所有光学系统一样，眼睛并不完美，在视网膜上所成的像不是一个点，而是一个模糊圈。
因此，二个相邻点的感觉是由二个并列的或多或少重叠的模糊圈产生的。
只要二点之间的距离足够大，在视网膜上的成像就会产生二点的感觉，但是如果二点太接近，那么二个模糊圈会趋向与重合，被误认为是一个点。
对比度可以用来反映这种现象，表达视力的清晰度。
对比值必须大于某一确定值（察觉阈，相当于1,2）才能够确保眼睛辨别二个邻近点。
对比度的计算公式为:
D,（a-b）/（a+b）
其中C为对比度，二个相邻物点在视网膜上所成像的感觉最高值为a,相邻部份的最低值为b。
如果对比度C值越高，说明视觉系统对该二点的分辨率越高，感觉越清晰;
如果二个物点非常接近，它们的相邻部分的最低值比较接近于最高值，则C值低，说明视觉系统对该二点感到不清晰，或不能清晰分辨。
让我们来模拟这样一个场景产:
夜晚，一位戴眼镜的驾车者清晰地看见对面远处有二辆自行车正冲着他的车骑过来。
此时，尾随其后的汽车的前灯在驾车者镜片后表面上产生反射:
该反射光在视网膜上形成的像增加了二个被观察点的强度（自行车车灯）。
所以，a段和b段的长度增加，即然分母（a+b）增加，而分子（a-b）保持不变，于是就引起了C值的减少。
对比减小的结果会令驾驶员最初产生的存在二个骑车人的感觉重合成为单一的像，就好比区分它们的角度被突然减小～
4）透过量
反射光占入射光的百分比取决于镜片材料的折射率，可通过反射量的公式进行计算。
反射量公式:
R,（n-1）平方/（n+1）平方
R:
镜片的单面反射量n:
镜片材料的折射率
例如普通树脂材料的折射率为1.50，反射光R,（1.50,1）平方/（1.50，1）平方,0.04,4%。
镜片有两个表面，如果R1为镜片前表面的量，R2为镜片后表面的反射量，则镜片的总反射量R,R1，R2。
（计算R2的反射量时，入射光为100%,R1）。
镜片的透光量T,100%-R1-R2。
由此可见，高折射率的镜片如果没有减反射膜，反射光会对戴镜者带来的不适感比较强烈。
（2）原理
减反射膜是以光的波动性和干涉现象为基础的。
二个振幅相同，波长相同的光波叠加，那么光波的振幅增强;
如果二个光波原由相同，波程相差，如果这二个光波叠加，那么互相抵消了。
减反射膜就是利用了这个原理，在镜片的表面镀上减反射膜，使得膜层前后表面产生的反射光互相干扰，从而抵消了反射光，达到减反射的效果。
1）振幅条件
膜层材料的折射率必须等于镜片片基材料折射率的平方根。
2）位相条件
膜层厚度应为基准光的1/4波长。
d=λ/4λ=555nm时，d=555/4=139nm对于减反射膜层，许多眼镜片生产商采用人眼敏感度较高的光波（波长为555nm）。
当镀膜的厚度过薄（〈139nm）,反射光会显出浅棕黄色，如果呈蓝色则表示镀膜的厚度过厚（〉139nm）。
镀膜反射膜层的目的是要减少光线的反射，但并不可能做到没有反射光线。
镜片的表面也总会有残留的颜色，但残留颜色哪种是最好的，其实并没有标准，目前主要是以个人对颜色的喜好为主，较多为绿色色系。
我们也会发现残留颜色在镜片凸面与凹面的曲率不同也使镀膜的速度不同，因此在镜片中央部分呈绿色，而在边缘部分则为淡紫红色或其它颜色。
3）镀减反射膜技术
有机镜片镀膜的难度要比玻璃镜片高。
玻璃材料能够承受300?
C以上的高温，而有机镜片在超过100?
C时便会发黄，随后很快分解。
可以用于玻璃镜片的减反射膜材料通常采用氟化镁（MgF2），但由于氟化镁的镀膜工艺必须在高于200?
C的环境下进行，否则不能附着于镜片的表面，所以有机镜片并不采用它。
20世纪90年代以后，随着真空镀膜技术的发展，利用离子束轰击技术，使得膜层与镜片的结合，膜层间的结合得到了改良。
而且提炼出的象氧化钛，氧化锆等高纯度金属氧化物材料可以通过蒸发工艺镀于树脂镜片的表面，达到良好的减反射效果。
以下对有机镜片的减反射膜镀膜技术作一介绍。
1）镀膜前的准备
镜片在接受镀膜前必须进行预清洗，这种清洗要求很高，达到分子级。
在清洗槽中分别放置各种清洗液，并采用超声波加强清洗效果，当镜片清洗完后，放进真空舱内，在此过程中要特别注意避免空气中的灰尘和垃圾
升级会员 