眼镜片材料及性能

二、眼镜片材料及性能

（一）眼镜片材料的性能

1．光学特性

（1）折射率（refractive index）　眼镜片的折射率是入射角的正弦与折射角的正弦之比，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）。

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587.56nm（氦黄光谱线）。注意ne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。

对于镜片实际而言，折射率的意义在于折射率越高，镜片可以制作的越薄。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，镜片的材料区分如下：

1）普通折射率　1.48≤n＜1.54。

2）中折射率　1.54≤n＜1.64。

3）高折射率　1.64≤n＜1.74。

4）超高折射率　n≥1.74。

（2）色散力（dispersion power）　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。

习惯上用阿贝数（abbe mumber）反应镜片材料的色散力，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。阿贝数越高，戴镜者越不容易察觉到镜片周边产生的色散力现象（横向色差）。

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30～60之间。阿贝数越大，色散力就越小；阿贝数越小，则色散力就越大，对成像质量的影响就越大。常用镜片材料的阿贝数，如表3－1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3－1　常用镜片材料的阿贝数

续表3－1

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（reflectance）　光线在镜片表面会产生反射现象，影响镜片的清晰度。

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（表3－2），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象从而感觉镜片厚度明显增加，使戴镜者的眼镜会因为镜片表面的光线反射而被掩盖，使镜片产生眩光而降低了对比度等。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3－2　不同折射率镜片的反射率比较

（4）光线的吸收（adsorption of light）　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（transparency）　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滤（表3－3）。

表3－3　不同折射率镜片的透过率比较

（6）紫外线切断（UV cut－off）　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　13.6～310nm。

2）长波紫外线　310～390nm。

3）可见光　390～780nm。

4）短波红外线　780～1500nm。

5）长波红外线　1500～100000nm。

习惯上，紫外线也可分为三个波段：UVC（10～280nm）、UVB（280～315nm）以及UVA（315～380nm）。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UVB会进入人眼。所以保护眼睛，减少UVB和UVA的入侵非常重要。

2．物理特性

（1）密度（density）　是1cm³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。

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镜片的密度为2.99g/cm³。

（2）硬度（hardness）　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。

（3）抗冲击性（impact resistance）　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、美等许多国家制定了测试标准。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。

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127cm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130cm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（100kg/mm²），但是受到牵引力达到4kg/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（static resistance）　欧洲标准化委员会指定的“100N”静态变形测试是在一个恒定速度下增加压力直到100N，经10s后观察被测镜片的变形情况。

3．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）常用眼镜片材料

1．玻璃眼镜片材料

（1）玻璃镜片材料及其性能　眼镜玻璃材料主要是由二氧化硅、氧化钠、氧化钾、氧化钙和氧化钡等多种氧化物组合而成。分普通玻璃和光学玻璃两种。普通玻璃的基础成分属钠钙硅酸盐系统。光学玻璃的基础成分属钾、钡硅酸盐系统。分为无色和有色光学玻璃。通常按无色光学玻璃的折射率和色散系数的大小将光学玻璃划分为冕牌玻璃和火石玻璃两大类。用冕牌玻璃制成的镜片有光学白片、克罗克斯镜片、克罗克赛镜片、有色镜片和变色镜片等。火石玻璃多用于磨制双光镜片的子镜片和高折射率镜片等。

眼镜玻璃的性能要求不同于其他玻璃产品，主要是以光学性能和理化性能等为主。光学性能主要有折射率、色散系数和透光率等，理化性能主要有密度和化学稳定性等。

1）折射率　一般冕牌玻璃的折射率在1.49～1.53之间，火石玻璃的折射率为1.60～1.80。折射率的大小可以用来衡量镜片的厚薄。即折射率越高，镜片就越薄。同时，它也是决定镜片屈光度的重要光学参数之一。

2）色散系数　在镜片中，通常应用到色散系数的倒数，亦称阿贝数。阿贝数的大小可用来衡量镜片成像的清晰程度。即阿贝数越大，色散就越小，则成像的清晰程度就越好。但一般来讲，折射率越高，阿贝数相对变小，则成像的清晰程度就越差。一般冕牌玻璃的阿贝数在55以上，而火石玻璃的阿贝数在50以下。

3）透光率　透光率可以用来衡量通过镜片视物的清晰程度，即透光率越高，视物就越清晰，一般要求无色光学玻璃对可见光的透光率在91%以上，火石玻璃的透光率在87%左右。

4）密度　通常用于制作眼镜片的玻璃密度均比较大。冕牌玻璃的密度为2.54，火石玻璃的密度为3.6，而且随着镜片折射率的增加，密度也增加，同时，阿贝数在减小。因此，折射率高、镜片薄、阿贝数大、镜片边缘色散小、密度小、镜片轻是最为理想的眼镜片。

5）化学稳定性　化学稳定性一般是指镜片在加工或使用过程中对水、酸、碱溶液以及抛光剂等化学物质的耐腐蚀能力。因为这些化学物质均能与玻璃发生作用，使镜片发霉、表面光洁度发生变化等，影响使用寿命。

（2）各种玻璃镜片的性能特点

1）普通玻璃镜片　有白片、克斯片和克赛片等。其性能特点，见表3－4所示。

表3－4　普通玻璃镜片的性能

2）光学玻璃镜片　有光学白片、UV光学白片、光学克赛片和光学克斯片等。其性能特点，详见表3－5。

表3－5　光学玻璃镜片性能特点

3）光致变色玻璃镜片　光致变色玻璃镜片简称变色片，它是在无色或有色光学玻璃基础成分中添加卤化银等化合物，使镜片受到紫外线照射后分解成银和卤素，镜片的颜色由浅变深。反之，当光线变暗时，银和卤素相结合，使镜片的颜色又回到原来的无色或有基色的状态。变色镜片有茶变和灰变片两种，其特点是既可以做矫正视力镜片使用，又可以做太阳眼镜，适合野外工作者配戴。

4）有色玻璃镜片　有色玻璃镜片是在无色光学玻璃中加入各种着色剂使玻璃呈现不同颜色，并对各种不同的单色光有选择性地吸收或滤过。其目的主要是用来作遮光和各种防护目镜，使眼睛不受有害射线以及风沙、化学药品、有毒气体等的侵害，起到保护眼睛的作用。

常见有色玻璃镜片的特点和用途，如表3－6所示。

表3－6　有色玻璃镜片的特点及用途

5）高折射镜片　高折射镜片又称“超薄镜片”。国产超薄镜片大都采用折射率1.7035的材料，从而达到降低密度和提高阿贝数的目的。密度3.028、阿贝数41.6的钡火石光学玻璃材料，与冕牌玻璃材料磨制出的镜片相比，在同等屈光度条件下，其镜片的弯度要浅一些，镜片的厚度要薄约1/5，特别适合高度屈光不正者配戴。一般高折射率玻璃材料中含氧化铅较高，则密度较重，同时阿贝数也较小，在镜片边缘易产生色散现象等缺点。目前，高折射率玻璃中已采用添加氧化钛等取代氧化铅。

6）镀膜玻璃镜片　镀膜玻璃镜片是指在各种光学玻璃镜片的表面上采用真空镀膜的方法镀上相应的减反射膜，以消除镜片表面的反射光，增加镜片的透光率，配戴起来更加清晰可见，舒适美观。常用的镀膜材料为氟化镁，折射率为1.38，并具有良好的耐磨性和稳定的物理化学性能。经镀膜后，镜片的透光率可由原来的91%提高到98%左右。镀膜镜片有单层镀膜片和多层镀膜片两种，多层镀膜镜片可镀有多层减反射膜、憎水膜（防水防雾）等不同功能的膜层，以增加镜片表面减反射的效果，同时也增加膜层的耐用性和实用性。

2．树脂眼镜片材料　用来制造眼镜片的树脂材料是由高分子有机化合物，经模压浇铸成型或注塑成型制成的光学树脂材料。树脂材料可分为热固性和热塑性两种。

热固性材料具有加热后硬化的性质，受热不会变形。目前市场上大部分的眼镜片使用这种材料制造，主要代表为CR－39材料。

热塑性材料具有加热后软化的性质，适合于热塑和注塑，主要代表为聚碳酸酯材料。

（1）光学树脂材料的主要性能　常用的光学树脂材料有CR－39、PMMA和PC三大类型。

1）CR－39（dially glycol carbonales）　CR－39材料即丙烯基二甘醇碳酸酯，属热固性材料，采用模压浇铸成型法制造。目前，矫正视力的树脂镜片大都采用CR－39树脂材料。该树脂材料是1942年由美国PPG公司哥伦比亚研究所研制开发出来，是美国空军所研制的一系列聚合物中的第39号材料，故被称为“哥伦比亚树脂第39”。CR－39被用于生产矫正眼镜片是在1955～1960年，当时生产出第一代超轻、抗冲击的树脂镜片。

2）PMMA　PMMA材料即聚甲基丙烯酸甲酯，俗称“有机玻璃”，属热塑性材料，采用注塑成型法制造。PMMA材料早在20世纪50年代就被用于制造眼镜片，但是由于该材料受热容易变形，并且耐磨性比较差，很快就被CR－39材料所取代。

3）PC　PC材料即聚碳酸酯，属热塑性材料，采用注塑成型法制造。PC材料大约在1955年就被研制出来，但是在视光学领域的应用是近几年的事情。PC材料以其优越的性能重新将热塑性材料带回了眼镜片领域，并被视光学专业人士认定为是21世纪的主导镜片材料。

CR－39、PMMA和PC材料具体的性能特点见表3－7所示。

表3－7　光学树脂材料镜片性能

（2）光学树脂材料的主要特点及用途

1）主要特点　与玻璃等镜片材料相比，光学树脂材料最突出的优点如下：重量轻、抗冲击性强；此外，光学树脂材料的化学稳定性好、透光度好、有极佳的着色性，可染成各种颜色以及具有吸收紫外线和成形加工性好等。

光学树脂材料最大的缺点是：硬度低、易划痕、耐热性能差、易变形，采用该类材料制造的眼镜片厚度要比玻璃镜片厚。

为了减少镜片的边缘厚度，目前，市场上又推出了折射率为1.56～1.71的树脂镜片。一般按折射率来分，折射率≤1.56的镜片称为“中折射率”树脂镜片，折射率为1.60以上的镜片称高折射率树脂镜片。

2）主要用途　光学树脂材料的用途可按材料来分，详见表3－8所示。

表3－8　光学树脂材料镜片的主要用途

3）光学树脂材料的表面处理　如上所述，光学树脂镜片除具有各种优点之外，其最大的缺点是表面硬度差，容易划痕，因此，需要对其表面进行各种处理。常见的表面处理有加硬膜、多层防反射膜和加硬多层防反射膜处理等。加硬膜处理的目的是为了增加镜片表面的硬度，使其接近玻璃的硬度；防反射膜处理的目的是增加可见光的透光率和防紫外线的性能。另外，在其表面还进行缓冲膜处理以保持和增强其抗冲击性能，以及憎水膜处理，用来提高镜片表面防水防雾的能力等。

3．其他镜片材料　用于制造眼镜片的材料除了玻璃镜片材料、光学树脂镜片材料以外，还有晶石材料。水晶石是一种天然透明的石英结晶体，主要成分为二氧化硅，其折射率和密度略高于光学玻璃。

水晶的主要优点是：硬度高、耐高温、耐摩擦、不易潮湿等。其主要的缺点是：重量较重、研磨加工困难。用水晶石材料磨制成的眼镜片称为“水晶石镜片”，常用的有天然水晶石和人工水晶石两种。每种按颜色又可以分为白水晶和茶水晶两种。由于水晶石中大多含有各种杂质、棉状或冰冻状花纹等，所以，其光学性能远不如光学玻璃优良。目前，已逐渐被光学玻璃或光学树脂材料所代替。