第12章第1节镜片材料的基本属性 - 眼镜学

TOP

第12章第1节镜片材料的基本属性

2009-11-27 15:56:47 来源:网络作者:舒曼【大中小】浏览:37784次评论:0条

现代镜片是非常复杂的光学系统，具备多种特性，是由不同材料和膜层组合的综合体。镜片材料所担当的角色不仅仅在于参与了各类功能镜片的制造，而且还是镜片表面系统镀膜处理的基础。镜片材料的研究与其配戴的舒适性、安全性、耐用性以及表面所镀的膜层是密切相关的。本部分从镜片材料的光学属性、物理属性以及化学属性出发，描述目前市场上存在并较普遍使用的镜片材料的种类以及镜片表面的镀膜处理，同时也对镜片的染色和变色特性进行分析。

一、镜片材料的光学属性

1．光线的折射通过镜片的光线会在镜片的前后表面发生折射或偏离现象。光线的偏离幅度由材料的折射能力和入射光线在镜片表面的入射角度决定。

（1）折射率：透明媒质的折射率是光线在真空中的速度（C）与在媒质中的速度（V）的比值，n = c / v。

根据不同的折射率，镜片材料的分类如下：

普通折射率 1.48≤n＜1.54
中折射率 1.54≤n＜1.64
高折射率 1.64≤n＜1.74
超高折射率 n≥1.74
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λe = 546.07nm（汞绿光谱线）；在英、美等国家则是λd = 587.56nm（氦黄光谱线）。注意ne值稍大于nd因此当材料用ne值表示时反映的折射率相对偏大（表2-1），但这个区别并没有造成实际影响，因为它的区别仅仅在折射率的第三位小数上。采用同一基准线测量的不同折射率代表了不同的镜片材料，折射率越高，镜片越薄。

表12-1 不同镜片材料的折射率

玻璃材料
nd Ne
1.5 1.523 1.525
1.6 1.600 1.604
1.7 1.700 1.705
1.8 1.802 1.807
1.9 1.885 1.892

（2）色散：当白光入射镜片时，由于不同光线波长的折射率不同，从而产生色散现象。当使用高屈光力（高度近视或者高度远视）镜片视物时，镜片的高度色散会使所视物体边缘产生彩色条纹。

为了简便清楚地反映镜片材料的色散能力，通常用阿贝数来表达，用V值表示。阿贝数的计算公式如下：

其中，黄光（587.6nm） nd = 1.500
红光（656.3nm） nC = 1.496
蓝光（486.1nm） nF = 1.505
阿贝数与材料的色散成反比。通常镜片材料的阿贝数值在30至60之间。阿贝数越大，色散就越小；阿贝数越小，则色散就越大，对成像质量的影响就越大。常用镜片材料的阿贝数如表12-2表示。

表12-2常用镜片材料的阿贝数

玻璃材料 Vd 树脂材料
Vd
1.5 59
1.6 42
1.7 42
1.8 35
1.9 31 1.5 58
1.56 37
1.59 31
1.6 36
1.67 32
1.74 33

尽管所有镜片都存在色散，但在镜片光学中心区域，这个干扰因素可以被忽略，只有在用高色散力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。在低对比度条件下，彩色条纹可能被忽略，但是轴上色差引起的视敏度下降，即离轴模糊现象，会使戴镜者抱怨：“当我通过镜片中心视物时很清楚，但当通过镜片边缘视物时是模糊的”。

2．反射率光线在镜片表面会产生反射现象，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线（图12-1）。

针对未经表面处理的镜片，即不改变镜片材料本身反射量的条件下，镜片单面反射率的计算公式如下：

例12-1：计算1.5折射率镜片材料的反射率。

解：光线入射镜片第一表面时产生的反射率P1为：

光线入射到镜片第二面时的入射率为：100%－4% = 96%
光线入射镜片第二表面时产生的反射率P2为：

则1.5折射率镜片材料的反射率P为：

P = P1 + P2 = 4% + 3.84% = 7.84%
对于眼镜片而言，镜片材料折射率越高，镜片任一表面的反射率也越大，因反射而损失的光线就越多（表12-3）。这种现象会使镜片内部产生光圈现象从而导致镜片厚度明显，使戴镜者的眼睛会因为镜片表面的光线反射而被隐藏，使戴镜者产生虚像或鬼影现象，使戴镜者产生眩光而降低了对比度等等。对于这些问题的解决办法是在镜片表面镀减反射膜。

表12-3 不同折射率镜片的反射率比较

折射率 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9
反射率 7.8% 10.4% 12.3% 15.7% 18.3%

3．光线的吸收镜片材料本身的吸收特性会减少镜片的光线透过率，这部分的光损失对于无色镜片是可以忽略的，但如果为染色或光致变色镜片，镜片本身对光线的吸收量会很大，这也是此类功能镜片的设计目的，即减少光线入射量。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定律，根据镜片的不同厚度呈指数性变化。

镜片的透光率指光线通过镜片而没有被反射和吸收的可见光透过率。通过镜片抵达眼睛的光通量φτ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光通量φα，即φτ+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：光线在各个方向上被散播的一种现象，它一般在固体表面以及透明材料的内部产生。理论上镜片表面没有散射现象发生，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。镜片内部的散射也只是偶尔可能会使镜片呈黄色或乳白色。合格的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：光线遇到小障碍而改变行径方向的一种现象。在眼睛学里，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使镜片表面磨损的情况下。

5．紫外线切断光线包含了不同的波长的射线，可以显现为明显的纯色色彩，例如赤、橙、黄、绿、青、蓝、和紫色。红光的波长最长，紫光的波长最短。可见光谱引起视觉感应的波长范围是从380纳米的紫光端点至780纳米的红光端点。超过红光端点的为红外线，吸收了红外线会引起温度上升，即所谓的热射线。超过紫光端点则为紫外线，能够引起化学作用。

光辐射可区分为三大类：紫外线、可见光及红外线。红外线一般不对眼睛造成危险，需注意的是工业作业的800~1200纳米的红外线可导致热辐射性白内障。较长波长的可见光也会引起温度上升和化学作用，但与红外线、紫外线所引起的作用相比则较少。

我们习惯上将紫外线分为三个波段，UVC（10~280nm），UVB（280~315nm）以及UVA（315~380nm）。UVC一般被大气层中的氧、氮和臭氧层所吸收，但不排除工业来源的UVC。UVB可致皮肤癌，大部分的UVA和UVB能够进入我们的眼睛。所以排除UVB和UVA，从而保护眼睛是至关重要的。

UVB（280~315nm）中短于295nm的射线被角膜所吸收，UVA（315~400nm）则到达晶状体。晶状体吸收了UVA中短于350nm的射线。因此，波长295~400nm的射线会到达晶状体。玻璃体吸收最大至270nm的射线（由于上述波长已被大气阻隔，而又有些被晶状体及角膜所吸收，因此玻璃体仅吸收那些没被吸收掉的残余射线），而波长350~400nm的射线在正常眼睛会抵达到视网膜。对于晶状体被摘除掉的患者，波长在295~400nm的射线都会到达视网膜。由于眼睛部分吸收紫外光谱中不同波长的射线，长时间的吸收会引起累积效应，从而导致眼睛的病变（紫光、蓝光也有累积效应）。

往往引起我们警惕的是自然界的辐射光线，其实在我们的日常生活中，人工紫外线的危害也不容忽视。从人工来源的紫外线是无法被臭氧层所减少的，因此可能会造成波长在200~290nm的紫外线累积到一非常高的量，这可能比一般认识到的问题更为普遍。例如，各种荧光灯、石英灯，弧光灯的广告展示灯产生紫外线，还有太阳灯、水银灯、杀菌灯等等。此外，我们一般可能不会注意到药物也会降低我们眼睛本身抵抗紫外线的能力，例如服用一些抗生素、缓泻剂、镇定剂、避孕药等会增加眼睛对紫外线的敏感度，而其常为不可逆性。

因此，每个人都有被紫外线伤害的可能，当然并非每个人对紫外线的敏感度是相同的，但尽可能在所有状况下保护自己眼睛,防止紫外线的伤害是必要的。

紫外线切断点反映了材料阻断紫外线辐射透过的波长。中高折射率树脂镜片材料的紫外线切断几乎为100%的效果。光致变色镜片是通过紫外线辐射及光谱蓝紫区域产生作用的，它们能够自动提供紫外线的防护作用。

（二）镜片材料的物理属性
1．密度密度表示单位体积的质量，单位是克/厘米3。密度和比重都是指单位体积物质的重量。在科学定义中，比重是与当地重力加速度有关的物理度量单位，而质量则不包含重力加速度的概念。在工业和日常生活术语中，密度和比重并没有区别。在眼睛学中，密度和比重可以通用。
表12-4 中不同镜片材料的密度，反映了材料重量。通过密度的比较可预测所使用材料的重量可能发生的变化。镜片材料所含的氧化物决定了镜片材料的密度，例如普通冕牌镜片的密度为2.54g/cm3，燧石玻璃的密度为2.9~6.3g/cm3，含钛元素和铌元素的玻璃密度为2.99g/cm3。镜片材料的密度越小，则镜片的重量越轻。
表12-4 不同镜片材料的密度
折射率（nd）密度（D）g/cm2
玻璃材料
1.5 1.523 2.54
1.6 1.600 2.63
1.7 1.700 3.21
1.8 1.802 3.65
1.9 1.885 3.99
树脂材料
1.5 1.502 1.32
1.56 1.561 1.23
1.59 1.591 1.20
1.60 1.600 1.34
1.67 1.665 1.36
1.74 1.737 1.46

2．硬度虽然玻璃镜片材料硬度非常高，但还是会磨损。例如铁、碳化钛等金属，尤其可以用于切割玻璃材料的金刚钻都会磨损玻璃材料。
在长期使用或者没有基本防护（眼镜和硬物接触）情况下，原本高光洁度的眼镜片会被磨损。眼镜片上的大量细小的表面磨损会使入射光线发生散射，改变玻璃镜片的透光率，影响成像质量。
对于树脂镜片而言，其耐磨损性能不可以单凭硬度一个指标来进行评价，还需要综合考虑镜片材料的弹性变形、塑性变形以及材料的分子结合力。
2．抗冲击性用来表达镜片材料在正常条件下抵抗硬物冲击的能力，例如，镜片在儿童活动、运动、专业活动或者驾驶的使用中没有破损。
为了测定眼镜片的抗冲击性，英、美、德、法等许多国家制定了一项测试标准。测试的方法为落球测试，即将一钢球从某一高度落在镜片凸面上，观察镜片是否破碎（图12-2）。

普通厚度的玻璃片在经受16g球从高处落下的冲击会破碎。玻璃镜片的抗冲击性很差，不能够作为安全镜片。
（1）
安全标准：镜片破损会引起伤害或者影响视力，所以在美国等国家，所有眼镜片必须要符合食品药物管理机构（FDA）的要求。
1）满足日常用途的中等强度的抗冲击性：镜片必须能够抵挡一个16g球从127cm落下的冲击。
2）高强度的抗冲击性：镜片必须能够抵挡一个44g球从130cm落下的冲击。
英国标准（BS2092）同样也规定了镜片的抗冲击性，分日常用途、1级和2级。在法国，这些标准仅应用于“安全镜片”。符合这些标准的镜片有树脂镜片和钢化玻璃镜片。
(2)玻璃的易碎性：以下现象会使玻璃破碎。
1）固定玻璃周边，而使玻璃中心受力，玻璃弯曲。
2）冲击或振动的负荷使玻璃的受力面产生压力，而使玻璃的另一面产生牵引力。玻璃有良好的耐压性（100kg / mm2），但是遭受牵引力（4kg / mm2）时会破碎。因此，当玻璃遭受牵引时，甚至在相对较小负荷下，玻璃也会破碎。
（3）微裂缝：由玻璃结构引起的基本易碎性会因为玻璃表面存在的微裂缝而更严重，甚至是高光洁度的表面。张应力使这些裂缝变大，使表面变弱而产生了破裂点。
玻璃表面除本身存在微裂缝外，日常的使用也会使镜片产生不同深度的意外磨损，会进一步减弱其强度。同样，使用也会减弱玻璃的抗冲击性。
4．抗静态测试采用由欧洲标准化委员会制定的“100牛顿”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，以10秒后观察被测镜片的情况（图12-3）。

（三）镜片材料的化学属性
化学属性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。
一般情况下，玻璃镜片材料不受各种短时间偶然接触的化学制品的影响，但下列因素会对玻璃镜片材料侵蚀：
（1）
氢氟酸、磷酸及其衍生物。
（2）
水，尤其在高温下的水，会使光滑镜片表面粗糙。
（3）
湿气、碳酸氧以及高温共同影响下的空气会侵蚀镜片表面。
对于树脂镜片材料，需要避免接触化学制品。尤其是聚碳酸酯镜片材料，在加工或者使用中要避免接触丙酮、乙醚和速干胶水等。

112

顶一下

您看到此篇文章时的感受是：

Tags：镜片材料基本属性

责任编辑：peijingshi

【大中小】【打印】【繁体】【投稿】【收藏】【推荐】【举报】【评论】【关闭】【返回顶部】

分享到:

上一篇：第11章第5节渐变多焦点镜片的屈..

下一篇：第12章第2节镜片材料的种类

推荐图文

好视力眼镜遭..	明星追时髦戴..	棱镜眼镜的加..	小林志玲胡辰..	戴上更适合亚..	戴眼镜妹妹如..
O.D.C在上海开..	陈道明戴眼镜..	验光配镜必须..	访雷朋眼镜Lux..	配眼镜，暗房..	网络红人韩寒..