镜片材料的光学属性之光线折射

导读:眼镜镜片的基本特性有镜片材料的光学属性、镜片材料的物理属性和镜片材料的化学属性。眼镜镜片材料的性能要求是安全、舒适、美观、光学性能好,下面我们讲的是其主要判断的技术指标。本文主要阐述镜片材料的光学属性光线折射中的折射率。光学性质是材料的基本性质,与镜片在日常生活中所见到的各种光学现象相符合,主要为光

眼镜镜片的基本特性有镜片材料的光学属性、镜片材料的物理属性和镜片材料的化学属性。眼镜镜片材料的性能要求是安全、舒适、美观、光学性能好,下面我们讲的是其主要判断的技术指标。本文主要阐述镜片材料的光学属性光线折射中的折射率。

光学性质是材料的基本性质,与镜片在日常生活中所见到的各种光学现象相符合,主要为光线在镜片表面的折射和反射,材料本身的吸收,以及散射和衍射现象。

光线折射

通过镜片的光线会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。

折射率

透明媒质的折射率(n)是光线在真空中的速度(c)与在媒质中的速度(v)的比,即

n=c/v

该比值没有单位并且总是大于1。折射率反映媒质的折射能力,折射率越高,从空气进入该媒质的光束偏离得越多。

由于透明媒质中的光速随着波长的变化而变化,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(见表1-1),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值的第三位小数上。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1-1 不同镜片材料的折射率

玻璃镜的折射率

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

眼镜片的屈光度大小决定于镜片的折射率和镜片的曲率半径大小。当折射率大时,制造一定屈光度的镜片,可采用较大的曲率半径,这样镜片可以制造得薄一些,可以减轻眼睛重量;反之,镜片厚,眼镜重。因此,高折射率的镜片材料比低折射率的材料更薄更美观。现在制造镜片的材料n一般在1.40~1.90之间。

镜片材料的光学属性之光线折射

镜片材料的物理和化学属性

本文介绍的是镜片材料的物理和化学属性。

一、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g/cm3。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. 54 g/cm3,,燧石玻璃的密度为2.9-6. 3 g/cm3,含钛元素和铌元素的玻璃密度为2.99 g/cm3。

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)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。

3. 抗冲击性

反应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取决于冲击物的尺寸和形状等因素。

为了测定眼镜片的抗冲击性,英、美、德、法等国家制订了一项测试标准。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。

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,一些国家强制规定某些特定人群(例如儿童、驾驶员)应该佩戴的镜片种类。

(1)满足中等强度抗冲击的测试:镜片必须能够承受一个16 g球从127 cm高度下落的冲击。

(2)满足高强度的抗冲击性测试:镜片必须能够承受一个44 g球从130 cm高度下落的冲击。

普通玻璃镜片材料不能通过上述抗冲击性的测试。

(4)抗静态变形测试

采用由欧洲标准化委员会制定的“100 N”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 N,经过10 s后观察被测镜片的情况。

二、 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。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,但下列因素会对玻璃镜片材料侵蚀:

1. 氢氟酸、磷骏及其衍生物。

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,在加工或使用中要避免接触丙酮、乙醚和速干胶水等。

镜片材料的物理和化学属性

镜片材料知多少

最早的眼镜都是用于矫正老花的,所以多为平凸镜片,外形如扁豆,在英语中 lenticular 的意思是“小扁豆似的”,后来演变成 lens 。推荐阅读:眼镜片折射率有什么用?

早期的镜片大都使用天然材料,因为容易获取;但天然材料存在明显的缺陷。

以天然水晶为例:

据清宫史料记载,康熙皇帝在得到两广总督进献的水晶眼镜后,试戴感觉相当好,便赐给了他的儿子“四爷”胤禛,就是后来的雍正皇帝。

雍正帝戴了父皇御赐的眼镜变得“精明”,批阅奏章的效率大大提高。从此,他就变成一个十足的“眼镜控”。据不完全统计,造办处为雍正帝专门制作的各式眼镜达35副之多。

殊不知,堂堂清朝皇帝,戴的却是“不合格镜片”。水晶属天然矿石,密度不匀,常发生双折射作用产生重影;并且水晶不能阻挡红外线和紫外线,所以对眼睛不起防护作用。

但水晶石因为性寒,佩戴时会使眼部附近的温度偏低,同时部分水晶镜片有颜色,使进入眼睛的光线变柔和,所以产生了“水晶养目”之说。

当玻璃镜片诞生之后,天然材料就退出了历史舞台。

说起玻璃的诞生,还有一段有趣的故事:3000多年前,一艘欧洲腓尼基人的商船,满载着晶体矿物“天然苏打”,航行在地中海沿岸的贝鲁斯河上。由于海水落潮,商船搁浅了,于是船员们纷纷登上沙滩。有的船员还抬来大锅,搬来木柴,并用几块“天然苏打”作为大锅的支架,在沙滩上做起饭来。

船员们吃完饭,潮水开始上涨了。他们正准备收拾一下登船继续航行时,突然有人高喊:“大家快来看啊,锅下面的沙地上有一些晶莹明亮、闪闪发光的东西!”

船员们把这些闪烁光芒的东西,带到船上仔细研究起来。他们发现,这些亮晶晶的东西上粘有一些石英砂和融化的天然苏打。原来,这些闪光的东西,是他们做饭时用来做锅的支架的天然苏打,在火焰的作用下,与沙滩上的石英砂发生化学反应而产生的物质,这就是最早的玻璃。

不过,用于制作镜片的玻璃并非故事中的普通玻璃。

最早被用于制作镜片的是冕牌玻璃。

冕牌玻璃(crown glass),这个名字很容易让人误解为一个品牌,其实只是一种制作工艺:先把玻璃液吹成一个皇冠(crown)状或者空心球状,再放在在一个快速旋转的平板中心重新加热,利用离心力将其展开铺平;较为平薄的边缘就切成合适的形状做窗玻璃,中间的圆形凸起就是透镜的雏形了。

这种生产方法在1320年左右就被法国鲁昂附近的玻璃工匠发展成熟,但是作为商业秘密没有公布;于是一水之隔的英国人整整进口了三百年的窗玻璃,直到1628年伦敦才出现同样的工艺。

用于制作镜片的玻璃材料,最初是1.523折射率的无色透明玻璃;后来为了改善其吸收紫外线的能力而在镜片中添加其他物质:1914 年,英国的威廉.克罗克斯制成“克斯”镜片,在日光下呈淡蓝色,所以又称蓝片。可吸收340?以下的紫外线、一部分红外线及580?的黄色可见光。

随后又有人发明了“克赛”镜片,此种镜片在日光和白炽灯下呈淡红色,故又称为红片。对350?以下的紫外线均可吸收。

1978 年,人们又发明了折射率为1.7的玻璃镜片,使得镜片的外观变得更薄。而今天,玻璃镜片最高折射率为1.9。

玻璃材料统计镜片制造业300年后,人们终于决心摆脱这个又重又不安全的“玩意儿”。

世界上第一副树脂镜片就是使用CR-39材料制成的,CR-39至今仍是欧美国家光学镜片的主要材料。

为什么是CR-39而不是CR007呢?CR-39材料的学名是“烯丙基二甘醇酸脂”,之所以被称为CR-39和他的身世有关。

二战期间,美国空军委托匹兹堡平板玻璃公司(Pittsburgh Plate Glass Company,简称PPG)旗下的哥伦比亚化学公司(Columbia-Southern ChemicalCorporation)研制了一系列材料用于军事用途。为了对配方保密,所以每种材料都只有一个数字代号,CR-39就是哥伦比亚树脂第39号(39th Columbia Resins)。CR-39的第一项用途就是制造号称“飞行堡垒”的B17战略轰炸机的燃料箱!这和镜片没有半毛线关系。

CR39为什么会成为镜片材料?

二战结束之后,人们发现CR-39与当时主要的镜片材料玻璃相比,有着显著的有点:

1、透光率高

CR-39 ——92%

玻璃——91%

2、比重轻(刚好是玻璃镜片的一半)

CR39——1.32g/cm3

玻璃——2.54g/cm3

3、阻断紫外线

CR39——吸收390nm以内的紫外线

玻璃——只能吸收290-300nm的部分紫外线

4、抗冲击试验(用16g钢球自1.27米高度自由落下)

CR-39——不碎

玻璃——碎裂

另外,CR-39还有可以染色、不易起雾、色散小(CR-39的阿贝数是58)等优点,是理想的光学镜片材料。

1947 年,美国加利福尼亚州的 Armorlite Lens Company 制造出世界上第一副CR-39树脂镜片。不过把树脂镜片发扬光大的是法国依视路公司!

什么是PC?

PC的化学名称叫聚碳酸脂(polycarbonate),又叫“太空片”。

1978 年美国 Gentex 公司借助军工航天项目的优势,首先用PC制造安全镜片。

1996 年 Essilor 收购 Gentex 公司

1997 年依视路宇宙片诞生

2002 年 PC镜片在美国市场的份额为35%

PC镜片有着极强韧性,不破碎(2cm可用于防弹玻璃),故又称安全镜片。比重为2g/cm3 ,是目前用于镜片的最轻材料。

PC镜片的安全性能使之成为制作无框镜架的首选材料,同时,在一些国家和地区,还作为青少年配镜的指定材料

▼几点小提示

1.PC镜片适合什么样的人戴?

PC镜片适合全年龄段配戴,但是由于其对眼睛的优良保护效果(抗冲击和防紫外线),所以更适合于孩童和青少年。

2.PC材料是防弹玻璃吗?

防弹玻璃中的一种材料就是PC,防弹的效果和PC板的厚度有直接关系。

3.有些人配戴了PC片感觉会头晕是怎么回事?

由于PC材料较软,没有CR39树脂镜片那么硬,所以如果在加工时未按要求加工,镜片会受到外力影响而产生应力,从而改变了原来的屈光力,这种现象较多出现在全框眼镜上。在制作眼镜的时候要检查镜片是否存在应力现象。

▼MR是日本三井化学(Mitsui Chemicals)出品的光学镜片原材料的品牌名称,MR就是Mitsui Resin(三井化学树脂)的缩写。

该原材料为高分子聚合单体,是世界上首次运用聚氨酯技术生产出的高折射率镜片材料,具有高折射率、高阿贝数、低比重、高抗冲击性等特征,是优秀的系列化光学材料。

MR材料的特点及其系列

MR系列材料,具有出色的机械强度、高抗冲击性、良好的拉伸强度和极小的内应力,非常适合各类设计独特的镜片产品,如无框眼镜及高弯镜片等;同时,还具有良好的加工性、染色性和耐候性,适合渐进多焦点镜片以及对颜色有特殊需求的时尚太阳镜,使用多年后镜片颜色变化很小。

MR系列有三种不同折射率(1.60、1.67、1.74)的产品,具体是:MR-7、MR-8、MR-10、MR-174。

MR-7 和 MR-10 具有更高的热变形温度和极好的染色性,被广泛应用于太阳镜领域;

MR-8 的性能指标最均衡,适合于生产任何度数的眼镜片,在折射率为1.60的镜片材料市场中占有率最高;

MR-174 为高折射率镜片材料,多用于超薄镜片的生产。

▼Trivex 是美国PPG公司一种特殊材料。

与PC镜片相比,虽然折射率较低(只有1.53)但阿贝数较高(达到45),这会使镜片的色散更小,成像质量更高。 同时,Trivex 镜片的抗冲击力比PC还要高10倍,正常使用下可保镜片终身不破碎,是目前市场上唯一可承受外力曲折的防爆安全镜片。

不过,Trivex 的加工较为困难,这是该产品始终无法普及的原因。

▼对于眼镜镜片来说,不可缺少的一个要素就是镜片的折射率。折射率越高就越能实现镜片的轻薄,在过去的很多年里,折射率从1.5开始向着1.6、1.7发展……。为了满足消费者对更轻薄镜片的要求,镜片制造商都披荆斩棘地进行着高折射率产品的开发。

2006年4月,TOKAI(东海光学)对外推出了折射率1.76的镜片。

1.76双非球面镜片能比一般的单光镜片薄50%左右,1.76单非球面镜片也能比一般的单光镜片薄47%左右。

▼纵观镜片材料的“进化史”,始终沿着“更轻,更薄,更安全”的方向发展;但不同的地区,由于消费者诉求不同,发展的侧重点产生了差异。

在欧洲,至今占据市场主流的仍是CR-39材料,一方面,欧洲的近视人群占比较低,反而是远视较多;另一方面,欧洲流行小圈形镜框和无框架,这使得CR-39材料的抗冲击性能有了施展空间。

在美国,市场占有率最高的是PC和CR-39,这和美国FDA关于安全镜片的规定(落球测试)有关。本文中介绍的部分材料,在美国没有销售,就是因为无法通过FDA的安全性测试。

在亚洲,由于近视眼发病率高、高度近视占比较高,所以用户的焦点落在了镜片外观更薄上,因此高折射材料的研发集中在日本。

▼还有两点不成熟的小建议要和大家分享:

第一,在选择镜片材料时,不要仅仅局限于外观的厚薄,还要兼顾其他指标。比如抗紫外线性能、阿贝数(色散系数)、黄色指数以及抗冲击能力等。对于高度近视的患者,选择高折射镜片当然是有必要的,但也要考虑框型、安全性等问题。

第二,即使完全相同的食材,在不同的厨师手里会变成完全不同的菜品;很多镜片的材料是相同的,但由于制作工艺、加硬镀膜技术、面弯设计等等因素,最后的镜片品质会有天壤之别。比如,有消费者问及关于镜片使用后发黄的问题,就是和镜片材料老化有关;一些品牌通过在镜片内加入添加剂来延缓镜片老化,就不那么容易变黄了。

在选择镜片时,消费者要听取专业配镜师的建议并结合自己的需求,作出最合适的选择。

镜片材料知多少

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