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一、镜片特性
(一)光学特性
1.折射率 眼镜片的折射率是入射角θi的正弦与折射角θt的正弦之比，即光线由空气进入透明媒质(镜片材料)后偏离其初始路径的值(常规在1.4~1.9之间)(如图10—1所示)。
媒质的折射率也是真空中的光速和媒质中的光速的比率。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，参考波长为λe =546.07 nm(汞 绿光谱线)；在美国等其他国家，参考波长则是λd =587.56 nm(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。例如，CR-39材料的折射率ne在欧洲是1.502，而nd则是1.498。
对于镜片设计而言，折射率的意义在于折射率越高，镜片可以制作得越薄。因此，高折射率的镜片材料比低折射率的材料(例如CR-39或皇冠玻璃)更薄更美观。
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
2.色散力 色散力是眼视光学的一个重要特性，因为使用高屈光力镜片(高度近视或远视镜片)时，高色散力会令所视物体边缘产生彩色条纹，这可能会引起戴镜者的抱怨(如彩图10—1所示)。
习惯上用阿贝数反映镜片材料的色散力，可用V值表示。阿贝数是材料色散力的倒数，是对控制光谱的材料能力的一种测量。类似折射率的计算，阿贝数可以用氦d谱线计算，也可以用汞e谱线计算。阿贝数越高，戴镜者越不容易察觉到镜片周边产生的色散现象(横向色差)。阿贝数也可以用于计算轴向色差和横向色差。阿贝数的计算公式如下：
Vd =(nd -1)/(nF -nC ) (10—1)
其中，黄光(587.56 nm) nd =1.500
红光(656.28 nm) nC =1.496 、
蓝光(486.31 nm) nF =1.505
阿贝数与材料的色散力成反比。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10-1所示。所有的高折射率材料(包括玻璃和树脂材料)，较低的阿贝数更容易产生色差现象。
表10-1 常用镜片材料的阿贝数
玻璃材料 Vd 树脂材料 Vd
1.5 59 1.5 58
1.6 42 1.56 37
1.7 42 1.59 31
1.8 35 1.6 36
1.9 31 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，该干扰因素可被忽略。只有高色散力镜片的周边部，色散现象才易被察觉，其表现为离轴物体边缘带有彩色条纹。
3.反射率 光线在镜片表面会产生反射现象，影响镜片的清晰度。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P1的计算公式如下：
P1=(n-1)2/(n+1)2×100% (10—2)
例10—1：计算折射率为1.6的镜片材料的反射率。
解：光线入射镜片第一面时产生的反射率P1为：
P1=(n-1)2/(n+1)2×100%=(1.6-1)2/(1.6+1)2×100%=5.33%
光线入射到镜片第二面时的入射率为：100%-5.33%=94.67%
光线入射镜片第二面时产生的反射率P2为：
P2=94.67%×(n-1)2/(n+1)2×100%
=94.67%×(1.6-1)2/(1.6+1)2×100%=5.04%
则折射率为1.6的镜片材料的反射率P为：
P=P1+P2=5.33%+5.04%=10.37%
对于眼镜片而言，镜片材料折射率越高，镜片表面的反射率就越大(见表10—2)，因反射而损失的光线就越多。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掩盖；使戴镜者看到虚像；使镜片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多层减反射膜。
表10-2 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%
4.光线的吸收 镜片的光线吸收通常指材料内部的光线吸收。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。
5.透光率 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(如表10—3)。
表10-3 不同折射率镜片的透过率比较
折射率n 单面反射系数p/% 透光率T/%
1.5 4.0 92.2
1.56 4.8 90.7
1.60 5.4 89.5
6.紫外线切断 紫外线切断点反映了材料阻断紫外线辐射透过的波长。光辐射可分为紫外线、可见光及红外线。根据1940年Morgan分类法，辐射线分为以下五大类：
(1)短波紫外线：13.6 nm~310 nm
(2)长波紫外线：310 nm~390 nm
(3)可见光： 390 nm~780 nm
(4)短波红外线：780 nm~1 500 nm
(5)长波红外线：1 500 nm~100 000 nm
习惯上，紫外线也可分为三个波段，UVC(10~280 nm)、UVB(280~315 nm)，以及UVA(315~380 nm)。UVC一般可被大气层中的氧、氮和臭氧层吸收，但不排除工业来源的UVC。大部分的UVA和UVB会进入人眼，所以保护眼睛，减少UVB和UVA的入侵非常重要。
(二)物理特性
1.密度 是1 cm3材料的质量，单位是g/cm3。已知镜片材料的密度不能预知镜片的质量。有可能密度大的材料比相同屈光力密度小的镜片材料要轻，因为有可能密度大的镜片的用料少。
表10—4中是不同镜片材料的密度。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 g/cm3~6.3 g/cm3，含钛元素和铌元素的玻璃镜片的密度为2.99 g/cm3。
表10-4 不同镜片材料的密度
玻璃材料 折射率(nd) 密度ρ/(g?cm-3) 树脂材料 折射率(nd) 密度ρ/(g?cm-3)
1.5 1.523 2.54 1.5 1.502 1.32
1.6 1.600 2.63 1.56 1.561 1.23
1.7 1.700 3.21 1.59 1.591 1.20
1.8 1.802 3.65 1.60 1.600 1.34
1.9 1.885 3.99 1.67 1.665 1.36
1.74 1.737 1.46
2.硬度 玻璃易碎，但非常硬。尽管如此，在长期使用或者没有基本防护(眼镜和硬物接触)的情况下，原本高光洁度且完全透明的眼镜片也会被磨损。眼镜片上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，单凭硬度一个指标不能评价其耐磨损性能，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等情况。
3.抗冲击性 反映了镜片材料在规定条件下抵抗硬物冲击的能力。各种材料的相对抗冲击性能取决于冲击物的尺寸和形状等因素。
为了测试眼镜片的抗冲击性，英、美等许多国家制订了测试标准。例如落球试验，即将一钢球从某一高度落至镜片凸面上，观察镜片的抗冲击性能，即是否破碎(如图10-2)。
安全标准：为了预防及尽可能避免因镜片破碎而导致的损伤，一些国家甚至强制规定某些特定人群(例如儿童、驾驶员)应该配戴的镜片种类。
①满足中等强度抗冲击性的测试：日常用途的镜片必须能够承受一个16g球从127 cm下落的冲击。
②满足高强度的抗冲击性测试：镜片必须能够承受一个44g球从130 cm下落的冲击。
普通玻璃镜片材料不能通过上述的抗冲击性能的测试，虽然玻璃有良好的耐压性(100 kg/mm2)，但是受到牵引力达到4 kg/mm2时就会破碎。当玻璃受到牵拉时，甚至在相对较小负荷下，玻璃也会破碎。日常使用也会减弱玻璃的抗冲击性，因为镜片表面产生的不同深度的磨损会减弱其强度。
4.静态变形测试 欧洲标准化委员会制定的“100 N”静态变形测试是在一个恒定速度下增加压力直到100 N，经10 s后观察被测镜片的变形情况(图10-3)。
(三)化学特性
化学特性反映了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。测试时通常使用冷水、热水、酸类以及各种有机溶剂。
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，但下列因素会侵蚀玻璃镜片材料：
1.氢氟酸、磷酸及其衍生物；
2.高温下的水会使光滑镜片表面粗糙；
3.湿气、碳酸氧以及高温环境下，镜片表面会被侵蚀。
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。
二、镜片材料分类
(一)玻璃镜片
玻璃是一种非常特殊的材料，冷却时呈非晶体状态，在高温下熔解。玻璃的基本成分是二氧化硅(Si02)，占65%~80%。光学玻璃镜片的种类如下：
1.按折射率分类
(1)皇冠玻璃：折射率为1.523，是传统光学镜片的制造材料，也称为冕牌玻璃，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。
(2)高折射率玻璃：比皇冠玻璃薄，外观美观，更受配戴者青睐。
①1.7折射率：主要成分为钛元素，阿贝数为41，1975年进入市场；
②1.8折射率：主要成分为镧元素，阿贝数为34，1990年进入市场；
③1.9折射率：主要成分为铌元素，阿贝数为30，1995年进入市场，是目前折射率最高的眼镜片材料。
虽然采用这些材料所制造的玻璃镜片越来越薄，但是却没有减少镜片重量。事实上，随着折射率的增加，玻璃材料的密度随之增加，这样就抵消了因为镜片厚度减薄而带来的重量上的减轻。
近年来高折射率玻璃镜片材料都逐步倾向于选用含钛元素的材料。经过多年研究，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力的方法。
2.按吸收特性分类
(1)透明玻璃：具有完美透光率的透明镜片，需要确保玻璃熔体中不存在金属氧化物，因为金属氧化物(例如氧化铁)易使镜片着色。
(2)单色吸收式镜片：在混合物中添加金属氧化物。根据添加剂的量和熔合条件，镜片具备如下属性：
①对光谱的不同波长具有特殊的吸收属性；
②特定颜色的选择式吸收。
(3)均匀色彩的吸收式镜片：近视或远视镜片的中心和边缘厚度不一致，所以玻璃镜片染色后，镜片上会产生颜色差异。一般较深的染色能使镜片颜色趋向基本一致。
(4)真空镀膜染色：是现代玻璃镜片的染色方法，即在真空条件下，在镜片表面镀制一层几微米厚的金属氧化物薄膜。该膜层须和玻璃确保良好的黏着性，具有良好的吸收属性。
(二)树脂镜片材料
镜片材料主要可以分为无机材料和有机材料两大类，玻璃镜片材料属于无机材料，树脂镜片材料属于有机材料。有机材料可以进一步分为热固性材料和热塑性材料。
1.热固性材料加热后硬化，受热不变形
(1)标准树脂材料(CR39) 是应用最广泛的制造普通树脂镜片的材料。它于20世纪40年代被美国哥伦比亚公司的化学家发现，是美国空军研究机构研制的第39号聚合物材料，因此，被称为CR39。20世纪50年代，CR39被正式用于制造眼用镜片。
CR39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一个新的聚合体分子，具有不同的长度和性质。CR39材料的折射率为1.5、密度为1.32 g/cm3、阿贝数约为58、抗冲击性好、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差，需要镀耐磨损膜进行表面处理。树脂镜片一般可采用模压法加工镜片表面的曲率，因此更适应于制造非球面镜片。
(2)中高折射率树脂镜片材料 可以采用改变材料分子中的电子结构等方法提高折射率。
与传统CR39相比，用中高折射率树脂材料制造的镜片更轻、更薄。它们的密度与CR39差不多(在1.20到1.40之间)，但色散相对较大(阿贝数≤45)，抗热性能差，但抗紫外线能力强，同时也可以染色和进行各种表面系统处理。这些材料的镜片制造工艺与CR39的制造原理大体一致。
2.热塑性材料加热后软化，适合于热塑和注塑
聚碳酸酯(简称PC)是目前镜片材料中典型的热塑性材料。PC材料早于1898年被发现，后期主要被人们应用于宇航、太空产品等各种领域。在20世纪30年代，当PC材料获得了改良后便应用于眼镜片领域。1941年，美国的PPG公司最早将该材料推向了商业领域。在历经了数年的研制和多次的改进之后，PC材料的光学性能可与其他镜片材料相媲美，故近年来所占的镜片市场份额在不断扩增。
PC材料具有许多光学方面的优点：抗冲击性是CR39的10倍以上，高折射率(ne =1.591，nd =1.586)，轻(密度=1.20 g/cm3)，100%抗紫外线(385 nm)，耐高温(软化点为140℃ /280°F)。PC材料也可进行复合镀膜处理，但阿贝数低(Ve =31，Vd =30)。在染色方面，由于PC材料本身不易着色，所以大多通过可染色的耐磨损膜吸收染料进行着色。
(三)镜片材料的比较
表10-5显示了许多常规镜片材料，以及这些材料的特性。
表10-5 各种镜片材料的比较
材料 nd ne 阿贝数 密度/(g?cm-3)
皇冠玻璃 1.523 1.525 58.9 2.54
CR39 1.498 1.502 58.9 1.32
PC 1.586 1.591 30.3 1.20
中折射率树脂 1.557 1.561 37.0 1.23
高折射率树脂 1.595 1.599 36.0 1.36
高折射率树脂 1.701 1.705 42.0 3.21
1.802 1.807 35.0 3.65
除上述两大类镜片材料——玻璃镜片和树脂镜片外，市场也曾出现过一种天然介质材料——水晶镜片，这是用石英矿磨制成的镜片。水晶镜片的主要成分是二氧化硅(Si02)，最大优点是硬度高且不易受潮，但紫外线及红外线的透过率较高，而且天然水晶材料的密度不均匀，含杂质，有条纹及气泡等产生，会形成双折射现象，从而影响视力。因此，无论从视力矫正或保护眼睛或美观角度均不推荐水晶镜片。 |
