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环境中存在许多对眼睛产生的因素，这些因素可以是直接的，如机械伤、化学伤等外伤；也可以是间接的或潜移默化的，如紫外线或其他辐射线对眼睛的操作等。一些特殊职业或活动也会使人们处于这些潜在的危险中。因此，眼镜在起到视觉功能矫正、美容或时尚的同时，还承担保护眼睛的功能。本章将分析环境中可能存在的潜在操作因素，阐述镜片材料、设计等方面与安全防范的关系，以及介绍特殊职业与眼睛安全防护的关系及其防护措施。
一、安全防护眼镜的概念
安全眼镜分为两类：普通的配戴用安全眼镜和特殊工作条件下用的职业防护眼镜。
虽然CR39和PC等材料既可以作为普通镜片材料，也可作为安全镜片使用，所不同的是，所有的安全镜片有着与普通镜片不一样的特定测试标准和要求（表15-3）。
需要注意的是，安全眼镜是指眼镜或镜片能够提供符合特定要求的抗冲击防护，并非“绝对安全”。
表15-3 冲击力测试标准（欧洲标准EN166）
标准名称 测试标准 能量（J） 标记
大物体慢速冲击 22mm钢球，43g，冲击镜片速度5.1m/s 0.56 S
低能量冲击 6mm钢球，0.86g，冲击镜片速度45m/s 0.87 F
中等能量冲击 6mm钢球，0.86g，冲击镜片速度120m/s 6.19 B
高能量冲击 6mm钢球，0.86g，冲击镜片速度190m/s 15.52 A
(测试样处厚度3mm)
二、常用的镜片抗冲击性能测试
（一）动态试验
落球试验和弹道测试常用来测试镜片的抗冲击性能。两类试验都分成两种：重复测试和连贯测试。重复测试是不断改变冲击力度直至镜片破裂，但是难以确保每次着力点都相同。连贯测试则是改变冲击力，每次作用于一片镜片上，由此确定该种镜片所能承受的冲击力阈值。
一般通过改变粒子/球大小、落球高度或粒子发射速度来进行测定。如果改变球大小，球与镜片的接触面积、作用时间都会发生改变，作用力在镜片表面的分布会产生变化，而使结果难以解释，故不具较好的可比性。而改变落球高度或粒子发射速度则是比较好的方法。镜片抗冲击性能的衡量指标包括落球高度、冲击速度或冲击能量。测试用的球或粒子都是圆球形，所以无论哪一点和镜片接触，接触面情况都认为是一样的。
（二）静态试验
即逐渐增加镜片前表面负荷量，直至镜片破裂。静态测试的优点是比落球试验更加准确地测量承载能量，但设备昂贵，而且静态施力情况和现实中镜片破裂的情况不一致。
普通配戴眼镜的抗冲击性能的落球试验，测试时使用5/8英寸（15.875mm）钢球，重量0.56盎司（15.88克），自50英寸（1.27米）高度下落，击打镜片表面（一线多焦镜除外）。
三、镜片破裂机制
镜片强度可用使镜片破裂的最大张力值来表示。张力是材料在每单位面积所承受的作用力，该力使材料中的原子或分子分离。与其作用相反的是压缩力，即使每单位面积承受的材料中的原子或分子聚集的作用力。常见的导致镜片破裂的机制主要包括以下四类。
比较公认的镜片破裂的理论叫做“瑕疵理论”（图15-4a），认为当作用于镜片表面的张力在镜片表面某处的瑕疵点或缺陷点超过临界值时，镜片破裂随即发生。破裂自瑕疵点开始，随即贯穿整个镜片。所谓瑕疵，可以是镜片在磨片、抛光、表面加工过程中产生的小裂痕，或是割边不当、装配不佳（常见如倒角边的问题）引起的。在玻璃镜片中，有所谓“格里菲思瑕疵”，是一种微小的瑕疵，因镜片表面杂质与尘埃粒子接触，或表面氧化层形成所致。
由于实际工作中无法消除表面瑕疵，所以提高镜片抗冲击强度的方法就是增加张力的作用力，即提高压缩力，这样张力达到使镜片破裂之前必须首先克服这些额外增加的压缩力。通过热、化学方法进行表面加工或回火使压缩力增加。化学回火法比热回火法能够更加有效地增加镜片抗冲击性能。化学回火法通过离子交换，形成一层压缩的表面层，而增加玻璃片的抗冲击性能。因表面瑕疵而发生的镜片的破裂最多见于受高速小粒子的冲击。
第二种破裂机制是镜片弯曲时，张力自前表面传递到镜片后表面弯曲而产生破裂。多见于中等速度、中等大小的粒子冲击负镜片时，这种破裂也是落球试验通常所测试的。镜片后表面的质量在抗冲击性能中具有重要的作用。由于正镜片中心较厚，因此发生的镜片破裂较少见（图15-4b）。
第三种机制是镜片边缘弯曲而引起的破裂，多见于慢速大粒子的作用（图15-4c）。
第四种机制是弹性波反射引起的边缘破裂，比较少见，可能在高速小粒子作用时在冲击点发生，最后引起周边瑕疵点破裂（15-4d）。
在冲击力作用下，玻璃、CR39和PC镜片的表面各不相同。CR39破裂的方式可与玻璃镜片相似，但也可发生弯曲或变形。CR39镜片的破裂通常在镜片边缘开始，说明其破裂机制是边缘弯曲造成的张力传递而致，与镜片倒角边质量关系密切。
PC镜片在破裂之前往往发生明显变形，正是这种变形能力使得PC材料具有卓越的抗冲击能力。CR39和PC之间抗冲击性能的差别的原因在于CR39单体分子交联数量更多，使硬度增加，但弹性减低。
四、抗冲击镜片的种类
抗冲击镜片有多种类型，性能较好的是以CR39或PC为材料，也有以光学玻璃加工制成的，后者包括化学回火镜片、热处理（亦有称之为空气回火）镜片和层压镜片。
从表15-4中可以发现，PC毫无疑问是抗冲击性能最好的镜片材料，配套使用塑料、纯钛或者记忆合金等镜架，无疑能够保证镜片受到冲击时有一定的移动余地。在安全要求更高的情况下，应该使用风镜、侧罩。侧罩对于在尘土环境中工作特别有益。
表15-4 各种镜片材料的抗冲击性能比较
镜片材料
6.5mm
落球速度（m/s）
玻璃
热强化玻璃
18
未强化玻璃
12
层压玻璃
12
树脂
CR39 49
PMMA 34
加膜PC 152
未加膜PC 244
一种名为Trivex的新材料具有和PC相当的抗冲击性能。美国FDA原先规定安全用镜片的最低厚度为3mm，对于PC和Trivex两种材料可放宽到2mm。
（一）聚碳酸酯（PC）
PC原先用于制作防弹材料、光盘。在眼镜片的应用就是因为PC具有极其优越的抗冲击性能，以PC材料制成的镜片是目前能够提供最大可能的防护眼睛安全保护镜片。随着技术和设计的改进，PC材料在普通眼镜中应用的比例日益提高。
我们已经知道PC不会因热变形，透光率好，化学稳定性强（高度化学绝缘），韧度极高。由于是热塑性材料，有利于再加工。PC材料的强度与钢铁媲美，但硬度很低。PC比重1.2g/cm3，可吸收380nm以下的紫外线。折射率1.586，阿贝数30。
PC材料受到击打时会出现裂纹，通过观察光线的散射可以发现围绕冲击点的裂纹区。形成的裂纹程度跟所受负荷的作用时间和材料温度有关系。如果温度低，镜片在较低速度小粒子作用下就会出现高速小粒子作用时的裂纹。研究表明，PC材料对大粒子的作用有极大的承受极限。
由于PC表面硬度很低，很容易产生划痕。因此通常都是两面镀加硬膜层（耐磨损膜）。需要注意的是，无论PC还是CR39等其他树脂镜片，加硬膜或减反射膜都会降低抗冲击性能。
丙酮等有机溶剂也会损害PC材料的抗冲击能力。
当一个运动物体冲击镜片表面时，对镜片产生动能。如果交换完全，物体停止于镜片表面，全部能力被镜片吸收。如果镜片不能运动或延展，所有能量都由镜片本身接受。当能量过大时，镜片就会破裂。但是如果镜片材料具有弹性，则会产生运动，吸收能量的同时以弹跳的形式返还部分能量。PC就是这样一种具备较好弹性的材料。
眼镜片设计通常都是新月形，配戴时凸面朝外。物体作用于镜片时，产生的效果是击打镜片前表面，使之后移，使得镜片有伸展、直径变大的倾向。如果是镜片固定于镜架内，镜片就不能延展而分散部分能量，则更容易破裂。所以在割边装配过程中，有人建议PC镜片的镜架装配得稍微偏松一些。不过目前尚缺乏量化的方法来确定松紧程度，而且偏松后带来新的安全隐患，就是装配不牢固。另一种弥补方法是增加镜架后面的槽深，为镜片提供支撑。
（二）树脂（普通树脂CR39）镜片
CR39也是一种安全程度较高的镜片。研究表明虽然化学处理的玻璃镜片能够承受和CR39等同的作用力，但是玻璃镜片破裂时产生诸多碎片，并容易飞溅入眼内组织或伤及面部区域，而且这些碎片通常难以定位寻找和清除，特别是透明无色的镜片。研究中发现普通树脂的碎片往往较大，而且多存留在镜框内，但也有实验发现CR39能产生尖锐碎片。
绝大多数的树脂镜片都具备良好的抗冲击性能，但是如果镜片镀膜（耐磨损膜、减反射膜等）之后，这些具有玻璃某些属性的膜层会削弱镜片的抗冲击性能。
高折射率镜片使镜片厚度显著减少，改善外观。如果中心厚度在1.5mm或更小时，大部分仍能通过检测镜片抗冲击性能的落球实验，若不能通过则需要另加一特殊的膜层（抗冲击膜）来消减冲击力。在所有中心厚度为1mm的高折射率镜片中都应用这一膜层。
（三）抗冲击玻璃镜片
1．化学回火镜片 化学回火强化（图15-5a）是改善传统玻璃镜片抗冲击性能的最佳方法。将事先预热的割边的镜片在440°C浸浴到熔化的硝酸钾中，通过玻璃中的钠离子和盐浴中的钾离子间的离子交换实现。玻璃中的钠离子被更大的钾离子替代，使得镜片基质发生挤压而增加表面压缩力。尽管化学回火法已经有30~40年的历史，但还多限用于汽车、飞机的挡风玻璃和实验室玻璃器皿的制作中。
与热处理镜片相比，化学回火镜片有明显的优点，它是现在最好的大批量玻璃强化方法。化学回火镜片的光学性能好，是由于温度相对低，没有热处理镜片表面的皱褶。化学回火镜片的厚度可以做得比较薄，而仍有合格的抗冲击性能。实验表明，最小厚度在1.3~1.5mm的化学回火镜片的抗冲击力优于2.2mm的热处理镜片。
化学加强过程比热处理耗时长，最初要求将皇冠玻璃放置于熔化的盐浴中15~16小时。割边完毕的镜片可在盐浴中浸泡过夜。但是研究表明，因具体方法不同，整个回火过程可以缩短到4小时，且能通过落球试验。
如果是处理变色镜片，则盐浴的化学配方与前述皇冠玻璃的有所不同。化学法对于强化变色玻璃镜片是比较理想的，不会使镜片变深，也不会削弱变色反应活性。
热处理镜片的一个主要的问题是，在配戴过程中镜片会因自发裂痕而“爆裂”导致损伤。
尽管这种情况尚未发生在化学回火镜片，不过如果深度裂痕损及离子交换区域之外，则有发生的可能性。因此一般建议回火15~16小时。
与热处理镜片不同，化学回火镜片可以再次表面处理，进行屈光度数的改变或去除小裂痕，为使镜片抗冲击性能依旧，需要重新进行盐浴。
如果将镀膜镜片放置于盐浴中，化学反应会破坏表面膜层，回火之后需要重新进行加膜。染色玻璃片是将氧化物加入普通透明玻璃成分中而呈现颜色的，所以回火过程基本不会改变表现颜色和吸收光谱（仅在红外线端有少量变化）。在偏振应力仪下观察，没有特征性的图像。
化学法的过程是自动发生的化学反应，但是由于使用化学物质，设备需用特殊材料制造，比较昂贵。
2．热处理（空气回火）镜片（图15-5b） 在化学回火法出现之前，玻璃镜片通过热处理法加强。这样处理的镜片有比较明显的缺点。热处理法是将玻璃镜片加热到接近熔点，然后通过气流快速冷却，所以这种方法也叫空气回火法。镜片必须事先割边完毕，否则事后割边会影响强化效果。这个过程导致玻璃表面收缩，在内、外分子层之间形成应力使硬度、强度增大。热处理法的优点是简单、快速，但是如果处理不当，或表面出现裂痕，抗冲击性能比未经处理的玻璃反而差，并会出现所谓的“自发破裂”，即在没有外力的作用下破裂。热处理镜片破裂多形成较钝的碎片，但也可能形成尖锐的碎片而造成伤害。
因此在眼镜片加强处理中，越来越多的人建议不再使用热处理法，而改用更加安全的化学回火法或者采用树脂镜片。
在加热、冷却的过程中，镜片表面会有所损坏而影响光学质量，手持镜片15cm远稍微倾斜观察即可发现这种变形或皱褶。
如果对变色玻璃镜片进行热处理，会显著削弱卤化银的活性，使镜片颜色变深，镜片退色过程减慢，而使室内镜片透光率下降。偏振应力仪下观察，镜片呈现十字图形，有时周围可见同心环形。
3．特殊热强化玻璃镜片 特殊热强化玻璃镜片出现于20世纪70年代，镜片加热熔化后采用浸油方式冷却，制成的镜片比普通热处理的镜片薄一些，偏振应力仪下呈现特征的木纹状图形。
4．菲涅耳镜片 菲涅耳镜片实际上是一层树脂膜层，厚约1mm，附于普通树脂或者玻璃镜片上。膜层有延展性，用水吸附于镜片的凹面。如果将菲涅耳膜镀到玻璃镜片上，则玻璃不需要事先加强，即使破裂，膜层可粘附碎片。菲涅耳镜片通常短期使用，如配戴者正在接受视力治疗，短期之内屈光度数变化较大，可将膜层迅速附于普通镜片上安全配戴。
5．层压镜片 层压镜片的特点是用醋酸纤维素、聚乙烯等胶样材料将两片薄玻璃或者一片玻璃和一片树脂联结在一起。玻璃不需要进行强化处理，即使破裂，碎片会粘于胶上。
在化学回火法应用于眼镜片之前，层压镜片是取代热处理法的一个选择，因为没有经过热胀冷缩的过程，镜片曲率保持不变。而且也没有自发破裂之虞。
由于两片镜片会分离，而且不适宜用于高屈光力镜片，所以层压镜片基本不大用于制作眼镜片。 |
