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眼视光学中的薄膜镀膜及详情

2017-10-7 15:48:13 点击:


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。与玻璃片相比,有机材料制成的硬性度比较低,更易产生划痕。通过显微镜,我们可以观察到镜片表面的划痕主要分为二种;一是由于砂砾产生的划痕,浅而细小,戴镜者不容易察觉;另一种是由较大砂砾产生的划痕,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制是因为其硬度高,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,研究人员从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”的双重特性,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损膜层,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,其磨擦系数低且不易脆裂。 


4、第四代抗磨损膜技术 

第四代的抗膜技术是采用了硅原子,例如法国依视路公司的帝镀斯(TITUS)加硬液中既含有有机基质,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。这一速度与加硬液的黏度有关,并对抗磨损膜层的厚度起决定作用。提起后在100 °C左右的烘箱中聚合4-5小时,镀层厚约3-5微米。 


(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 

将镜片置于盛有砂砾的宣传品内(规定了砂砾的粒度和硬度),在一定的控制下作来回磨擦。结束后用雾度计测试镜片磨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 

用一种规定的钢丝绒,在一定的压力和速度下,在镜片表面上磨擦一珲的次数,然后用雾度计测试镜片磨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磨擦同样的次数,然后用肉眼观察和比较。 

上述两种测试方法的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机镜片上时,由于片基较软,砂砾在膜层上划过,膜层很容易产生划痕。 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.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,所以油污特别容易浸润至减反射膜层。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,而最常见的方法是真空镀膜。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。


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抗污膜的复合膜。通常抗磨损膜镀层最厚,约为3-5mm,多层减反射膜的厚度约为0.3um,顶层抗污腊镀最薄,约为0.005-0.01mm。以法国依视路公司的钻晶(crizal),复合膜为例,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。表明了有机镜片的表面处理技术达到了一个新的高度。


三. 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集于视网膜上,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。


3、眩光 

象所有光学系统一样,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。因此,二个相邻点的感觉是由二个并列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,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。 


对比度可以用来反映这种现象,表达视力的清晰度。对比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:D=(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产:


夜晚,一位戴眼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。此时,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段的长度增加,即然分母(a*b)增加,而分子(a-b)保持不变,于是就引起了C值的减少。对比减小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)平方/(n 1)平方 


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)平方/(1.50+1)平方=0.04=4%。 镜片有两个表面,如果R1为镜片前表面的量,R2为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=100%-R1-R2。


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 

减反射膜是以光的波动性和干涉现象为基础的。二个振幅相同,波长相同的光波叠加,那么光波的振幅增强;如果二个光波原由相同,波程相差,如果这二个光波叠加,那么互相抵消了。减反射膜就是利用了这个原理,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 

膜层材料的折射率必须等于镜片片基材料折射率的平方根。


2、位相条件 

膜层厚度应为基准光的1/4波长。d=λ/4 λ=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)。


镀膜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,较多为绿色色系。


我们也会发现残留颜色在镜片凸面与凹面的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 

有机镜片镀膜的难度要比玻璃镜片高。玻璃材料能够承受300 °C以上的高温,而有机镜片在超过100 °C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°C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,使得膜层与镜片的结合,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,在此过程中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,在此过程中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镀于镜片的表面,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磨损、抗文化馆、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,对镀膜镜片进行膜层牢度质量的测试。这些测试方法包括:盐水试验、蒸汽试验、去离子水试验、钢丝绒磨擦试验、溶解试验、黏着试验、温差试验和潮湿度试验等等。