眼镜片的材料和镀膜工艺Word文件下载.docx
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比重和硬度在眼镜玻璃中是极其重要的参数。
一般光学玻璃的比重均比较大，比重和折射率有一定的关系。
折射率越大，也就越大，镜片的重量就增加。
光学眼镜片的表面要求有一定的硬度，硬度不仅影响使用寿命，而且也直接影响镜片的研磨加工质量和速度。
（三）光学玻璃镜片的特点
1、无色光学玻璃镜片
无色玻璃镜片俗称白托片，又称白片。
可分为普通和光学白片两种。
普通白片的主要组成为钠钙硅酸盐系统，折射率为1.51，可见光的透光率为89%以上，可吸收280nm以下的紫外线。
光学白片的主要组成为钠钙硅酸系统，折射率为1.531，阿贝数60.5，透光率在91%以上，防紫外线性能最差。
UV光学白片是在光学白片成分中添加少量的氧化钛和氧化铈等，使其具有吸收紫外线的性能，折射率为1.523，阿贝数58.7，透光率为91%以上，能吸收330nm以下的紫外线。
且机械性能和化学稳定性良好，是国内外普遍采用的一种吸收紫外线的白色优质镜片。
2、克罗克斯镜片（Crookes）
由英国人威廉&
#183;
克罗克斯于1914年发明，故命名为克罗克斯镜片，简称克斯片。
克斯片分为普通和光学克斯片两种。
普通克斯片简称光克片，是在钡冕玻璃成分中添加微量的氧化铈、氧化钕和氧化镨等物质，使镜片有明显的双色效应，即在白炽灯光下呈浅紫红色，在日光灯下呈浅青兰色，能吸收340nm以下的紫外线，折射率为1.523，透光率为87%以上。
3、克鲁赛脱镜片（Cruxite）
克鲁赛脱镜片也分为普通和光学克赛镜片两种。
前者简称克赛片，后者简称光赛片。
克赛片是在普通白片成分中添加一定量的氧化硒，使僮片颜色呈浅粉红色，能吸收300nm以下的紫外线，折射率为1.510，透光率在85%以上。
光赛片是在钡冕玻璃成分中添加氧化锰和氧化铈等物质，使镜片颜色呈浅粉红色，折射率为1.523，透光率为87%以上，能吸收350nm以下的紫外线。
4、光致变色镜片
简称变色片。
是在无色或有色光学玻璃成分中添加卤化银等化合物，使镜片能在紫外线照射时分解成银和卤素原子，镜片颜色由浅变深。
反之，当光线变暗时，银和卤素重又结合成无色的卤化银，使镜片又回到原来无色或有基色的状态。
变色镜片有茶变和灰变两种，其特点是既可矫正视力，又可作为太阳眼镜，适合野外配戴。
大约在1986年出现了光致变色树脂材料，它是用渗透法在树脂材料的凸面渗透了一层光致变色感光材料，这种镜片变色迅速，不完全受温度控制，也不会受屈光度的影响而出现中央区和周边区的颜色深浅不同。
5、有色玻璃镜片
有色玻璃镜片是在无色光学玻璃中加入各种着色剂使玻璃呈现不同颜色，并对各种不同的单色光有选择性地吸收或滤过。
其目的主要是用来作遮光和各种防护目镜，使眼睛不受有害射线以及风沙、化学药品、有毒气体等的侵害，起到保护眼睛的作用。
常见的有色玻璃镜片有灰色、茶色、绿色、兰色、红色和黄色等。
（1）灰色玻璃镜片
添加氧化钴、氧化铜、氧化铁和氧化镍等着色。
能均匀吸收光线，且有吸收紫外线和红外线的作用，可做太阳镜，适合司机配戴。
（2）茶色玻璃镜片
添加氧化锰、氧化铁或氧化镍等着色。
具有吸收紫外线和防眩光的作用，视物层次分明、清晰，可做太阳镜。
（3）绿色玻璃镜片
添加氧化钴、氧化铜、氧化铬、氧化铁及氧化铈等着色。
具有吸收紫外线和红外线的作用，可用作气焊、电焊和氩弧焊等人员的护目镜。
（4）兰色玻璃镜片
添加氧化钴、氧化铁、氧化铜和氧化锰等着色。
具有防眩光的作用，适合高温炉前人员的护目镜。
（5）红色玻璃镜片
添加硒化镉、硫化镉等着色。
具有防止荧光刺眼的作用，适合做X光医务人员的护目镜。
（6）黄色玻璃镜片
添加硫化镉、氧化铈及氧化钛着色。
具有吸收紫外线的作用，且视物清晰、明亮，可适合司机在阴雨、雾天配戴。
6、高折射率镜片
又称“超薄镜片”。
国产超薄镜片大都采用折射率1.7035，比重3.028，阿贝数41.6的钡火石光学玻璃材料。
它与冕牌玻璃的镜片相比，在同等屈光度下，镜片的厚度要薄约五分之一，特别适合高度屈光不正者配戴。
但由于其中含氧化铅较高，则比重较大，同时阿贝数也较小，在镜片边缘易产生色散现象等缺点。
目前已在高折射率玻璃中添加氧化钛等取代氧化铅，使其比重和阿贝数等光学系数都得到了改善，弥补了上述缺点。
二、光学树脂材料
（一）光学树脂概述
用于制造眼镜片的树脂材料是由高分子有机化合物，经模压浇铸成型或注塑成型制成的光学树脂。
也可分为热固性和热塑性树脂两种。
常用的光学树脂材料有丙烯基二甘醇碳酸酯（CR-39）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和聚碳酸酯（PC）三大类。
（二）CR-39树脂镜片：
CR-39材料属热固性树脂，采用模压浇铸成型法制造，目前，矫正视力用树脂镜片大都采用CR-39树脂材料，该材料是1942年由美国PPG公司哥伦比亚研究所研制开发，故称“哥伦比亚树脂”。
普通的CR-39镜片的折射率为1.5。
而今天大部分的中折射率（n=1.56）和高折射率（n＞1.56）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：
改变原子分子中电子的结构，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。
视光业务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。
（三）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，其光学质量已与其它镜片材料媲美。
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CR39的10倍以上），高折射率（ne=1.591，nd=1.586），非常轻（比重=1.20g/cm3），100%抗紫外线（385nm），耐高温（软化点为140℃/280&
#176;
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。
（四）光学树脂的性能
光学树脂材料的性能主要包括光学性能和物理机械性能等，见下表所示。
表1-2光学性能
种类折射率（Nd）阿贝数（Vd）透光率（%）备注
CR-391.49859.289~92%热固性
PMMA1.49157.692%热塑性
PC1.58629.985~91%热塑性
冕玻璃1.52358.592%/
重火石玻璃1.7013187%/
表1-3物理机械性能
性能CR-39PMMAPCK玻璃备注
比重1.321.191.202.4K玻璃&
gt;
CR-39&
PC&
PMMA
透光率（%）90.192.184.591PC略差
折射率（Nd）1.501.491.591.51PC最高
耐磨性（H）4H2HB9HK玻璃&
PMMA&
PC
耐冲击性（Kg-cm/cm2）2.45.69.2
PC&
CR-39
耐热性（摄氏度）&
210118153
CR-39&
（五）光学树脂的特点
光学树脂材料被广泛用于制造矫正视力用镜片、角膜接触镜、放大镜和太阳镜等。
一般按材料可分为CR-39树脂镜片（主要有各种矫正视力镜片、太阳镜镜片和白内障术后用镜片等）、PMMA镜片（主要有太阳镜镜片、角膜接触镜）和PC太空片（主要有工业用护目镜片、偏光镜片、体育运动用镜片等。
）
光学树脂材料用来制造眼镜片的最大特点是重量轻，约为玻璃镜片的一半，其次是抗冲击性强，比玻璃高10倍，安全性好，化学稳定性好、透光度好、有极佳的着色性，可染成各种颜色以及具有吸收紫外线和成形加工性好等。
其最大的缺点是硬度低、易划痕以及耐热性能差、易变形和镜片的厚薄比玻璃镜片厚。
三、天然材料
主要是水晶石，是一种天然透明的石英结晶体，主要成分为二氧化硅，其折射率和比重略高于光学玻璃。
水晶的特点是硬度高、耐高温、耐磨擦、不易潮湿以及重量较大和研磨加工困难等。
用水晶材料磨制的眼镜片称“水晶镜片”，常用的有天然水晶石和人工水晶石两种。
每种按颜色又可分为白水晶和茶水晶两种。
由于水晶石中多含有各种杂质，棉状或冰冻状花纹等，所以，其光学性能远不如光学玻璃优良。
目前，已逐渐被光学玻璃或光学树脂材料所代替。
第2节眼镜片的镀膜工艺
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。
我们可以观察到镜片表面的划痕主要分为二种，一是由小砂砾产生的划痕，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损是因为其硬度高，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”的双重特征，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，其摩擦系数且不易脆裂。
4）第四代抗磨损膜技术
第四代的抗磨损膜技术是采用了硅原子，在加硬液中既含有机基质，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℃左右的烘箱中聚合4-5小时，镀层厚约3-5微米（图11）
（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较镜片的磨损情况。
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
将镜片置于盛有砾的容器内（规定了砂砾的粒度和硬度），在一定的控制下作来回摩擦。
结束后用雾度计测试镜片摩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
用一种规定的纲丝绒，在一定的压力和速度下，在镜片表面上磨擦一定的次数，然后用雾度计测试镜片摩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摩擦同样的次数，然后用肉眼观察和比较。
上述两种测试方法和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（图12）。
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的一片白光。
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焦于视网膜上，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（图13）。
3）眩光
象所有的光学系统一样，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（图14-1）。
因此，二个相邻点的感觉是由二个并例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（图14-2），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（图14-3）。
对比度可以用来反映这种现象，表达视力的清晰度。
对比度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：
C=（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：
夜晚，一位戴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。
此进，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”的长度增加，既然分母（a+b）增加，而分子（a-b）保持不变，于是就引起了C值的减少。
对比减少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）2/（n+1）2
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）2/（1.50+1）2=0.04=4%。
镜片有两个表面，如果R1为镜片前表面的反射量，R2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为：
T=100%-R1-R2。
表4不同折射率镜片的透过量比较
折射率n单面反射量R1%透光量T%
1.504.092.2
1.564.890.7
1.605.489.5
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
减反射膜以光的波动性和干涉现象为基础的。
如图15所示，二个振幅相同，波长相同的光波叠加，那么光波的振幅增强；
如果二个光波振幅相同，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
膜层材料的拆射率必须等于镜片片基材料折射率的平方根。
N=√n1n1=1.50时，n=√1.50=1.225
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〉。
镀减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，较多的绿色色系。
我们也会发现残留颜色在镜片凸面及凹面中央部分和边缘部份的颜色会有些差异，而且凸面和凹的反射光也会有差异。
这主要是因为减反射膜是采用真空镀膜法。
当镜片的一个表面完成镀膜后，再翻过来镀另一表面；
而且镀膜时，曲率变化较小的部位容易镀上，因此在镜片中央部分已达需要的膜层厚度时，镜片的边缘仍然未达到需要厚度；
同时凸面和凹面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
有机镜片镀膜技术的难度要比玻璃镜片高。
玻璃材料能够承受300℃以上的高温，而有机镜片在超过100℃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℃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，在此过程虽要特别注意避免空气中的灰尘和垃圾再黏附在镜片表面。
最后的清洗是在真空舱内镀膜前进行的，放置在真空舱内的离子枪将轰击镜片的表面（例如用氩离子），完成此道清洗工序后即进行减反射膜的镀膜。
2）真空镀膜
真空蒸发工艺能够保证将纯质的镀膜材料于镜片的表面，同时在蒸发过程中，对镀膜材料的化学成分能严密控制。
真空蒸发工艺能够对于膜层的厚度精确控制，精度达到。
3）膜层牢固性
对眼镜片而言，膜层的牢固性是至关重要的，是镜片重要的质量指标。
镜片的质量指标包括镜片抗摩损、抗腐蚀、抗温差等。
因此现在有了许多针对性的物理化学测试方法，在模拟戴镜者的使用条件下，对镀膜层牢度质量的测试。
这些测试方法包括：
盐水试验、蒸发试验、去离子水试验、钢丝绒摩擦试验、溶解试验、黏着试验、温差试验和潮湿度试验等等。
三、抗污膜（顶膜）
（1）原理
镜片表面镀有多层减反射膜后，镜片特别容易产生污渍，而污渍会破坏减反射膜的减反射效果。
在显微镜下，我们可以发现减反射膜层呈孔状结构，所以油污特别浸润至减反射膜层。
解决的方法是在减反射膜层上再镀一层具有抗油污和抗水性能的顶膜，而且这层顶膜必须非常薄，以使其不会改变减反射膜的光学性能。
（2）工艺
抗污膜的材料以氟化物为主，有二种加工方法，一种是浸泡法，一种是真空镀膜，而最常用的方法是真空镀膜。
当减反射膜层完成后，可使用蒸发工艺将氟化物镀于减反射膜上。
抗污膜可将多孔的减反射膜层覆盖起来，并且能够将水和油与镜片的接触面积减少，使油和水滴不易粘附于镜片表面，因此也称为防水膜（图16）。
对于有机镜片而言，理想的表面系统处理应该是包括抗磨损膜、多层减反射膜和顶膜污膜的复合膜。
通常抗磨损膜镀层最厚，约为3~5um，多层减反射膜的厚度约为0.3um，顶层抗污膜镀层最薄，约为0.005-0.01um。
通常的复合膜工艺如下：
在镜片的片基上首先镀上具有有机硅的耐磨损膜；
然后采用IPC的技术，用离子轰击进行镀减反射膜前的预清洗；
清洗后采用高硬度的二氧化锆（ZrO2）等材料进行多层减反射膜层的真空镀制；
最后再镀上具有110的接触角度的顶膜。
钻晶复合膜技术的研制成功表明了有机镜片的表面处理技术达到了一个新的高度。
**眼镜片镀膜小常识：
**
染色镜片和变色镜片是否需要镀减反射膜？
染色镜片或变色镜片的透光量会降低，但镜片表面的反射光依然存在，这样由镜片凹面的反射光和镜片前后表面的内反射所产生的鬼影和眩光依然会干扰视觉，影响戴镜者视物的清晰度和舒适性。
例如，某戴未镀减反射膜变色镜片的人士，在游泳池旁，喝着咖啡、读着报纸，太阳正好位于他身背后。
假设戴镜者看到的茶杯的光高度为100Lx，太阳的光亮度为500Lx（图17）。
此时戴镜者的变色片因阳光的照耀而颜色变深，镜片的透光量下降，设只有33%的光线可以通过，加上镜片前后表面的反射光，所以戴镜者所看的茶杯的光线进入眼球约为30Lx，即100&
#215;
96%&
33%&
96%=30Lx。
戴镜者身后500Lx的阳光通过镜片后表面会产生反射，有4%的光线会进入眼球，500Z4%=20Lx。
这些光线将会对戴镜者所要看的茶杯的清晰度产生干扰，干扰量为20/30=67%。
如果戴镜者的变色镜片镀有减反射膜的情况将又会如何呢？
此时戴镜者所看茶杯的光线进入眼球会略
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