镜片表面加膜工艺

二、镜片表面加膜工艺

（一）耐磨损膜

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，由于与灰尘或沙砾（氧化硅）的摩擦都会造成镜片磨损，在镜片表面产生划痕。与玻璃镜片相比，有机材料制成的镜片硬度比较低，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两种：一是由小沙砾产生的划痕，浅而细小，戴镜者不容易察觉；另一种是由较大沙砾产生的划痕，深且周边粗糙，如位于中心区域则会影响视力。

1．技术发展

（1）第一代耐磨损膜技术　耐磨损膜始于20世纪70年代初，当时认为玻璃镜片不易磨损是因为其硬度高，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，形成一层非常硬的耐磨损膜，但由于其热涨系数与片基材料的不匹配，很容易脱膜和膜层脆裂，因此耐磨损效果不理想。

（2）第二代耐磨损膜技术　20世纪80年代以后，研究人员从理论上发现磨损产生的机制不仅仅只与硬度相关，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。第二代的耐磨损膜技术就是通过浸泡工艺在有机镜片的表面镀上一种硬度高且不易脆裂的材料。

（3）第三代耐磨损膜技术　第三代的耐磨损膜技术是20世纪90年代以后发展起来的，主要是为了解决树脂镜片表面镀上减折射膜层后的耐磨性问题。由于树脂镜片片基的硬度和减折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耐磨损膜层，使镜片在受到沙砾摩擦时能起缓冲作用，并且不容易产生划痕。第三代耐磨损膜层材料的硬度介于减折射膜和镜片片基的硬度之间，其摩擦系数低且不易脆裂。

（4）第四代耐磨损膜技术　第四代的耐磨损膜技术采用了硅原子，即耐磨损膜既含有有机基质，又含有包括硅元素的无机超微粒物，使耐磨损膜具备韧性的同时又提高了硬度。现代的镀耐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，并对耐磨损膜层的厚度起决定作用。提起后在100℃左右的烘箱中聚合4～5h，镀层厚3～5μm。

2．测试方法　判断和测试耐磨损膜耐磨性的最基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较镜片的磨损情况。当然，通常是在这一新技术正式推广前所采用的方法，目前常用的较快速直观的测试方法如下。

（1）磨砂试验　将镜片置于盛有沙砾的容器内（规定了沙砾的尺寸和硬度），在一定的控制下作来回摩擦。结束后用雾度计测试镜片摩擦后的光线漫折射量，并且与标准镜片进行对比。

（2）钢丝绒试验　用一种特定规格的镜片钢丝绒，在一定的压力和速度下，在镜片表面上摩擦一定的次数，然后用雾度计测试镜片摩擦前后的光线漫反射量，并且与标准镜片进行对比。当然，我们也可以手工操作，对两片镜片用同样的压力摩擦同样的次数，然后用肉眼观察和比较。

上述两种测试方法的综合计算结果与戴镜者长期配戴的临床结果比较接近。

3．减反射膜和耐磨损膜的关系　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1μm），硬且脆。当镀于玻璃镜片表面上时，由于片基较硬，沙砾在其上面划过，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，沙砾在膜层上划过。膜层很容易产生划痕。

因此树脂镜片在镀减反射膜前必须要镀加硬膜（耐磨损膜），而且加硬层的硬度与减反射膜的硬度的匹配有特殊的要求。

（二）减反射膜

1．镀减反射膜的作用　高级照相机的镜头目前都采用了减反射膜的工艺，镀膜镜头所拍摄的相片质量比不镀膜的镜头有明显的提高，特别是在某些照明条件下。眼镜片与眼睛组成了一个光学系统，镀减反射膜的眼镜片对视觉有明显的改良效果。我们经常会遇到戴惯了镀膜眼镜的人如换成不镀膜镜片后会感觉非常不舒服，而且眼镜片对于戴镜者来说还具有重要的装饰作用，镀减反射膜对于眼镜片的美观作用具有重要意义。具体分析如下。

（1）镜面效应　在镜片的前曲面（凸面）产生的反光会影响戴镜者的美观。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（图3－6）。拍照时，这种反光还会严重影响戴镜者的美观。

图3－6　镜面反射

（2）虚像（“鬼影”）　镜片前表面和后表面的不同曲率使镜片内部产生的反光会产生鬼影现象，影响视物的清晰度和舒适性。由眼镜学理论可知，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焦于视网膜上，形成像点。但是由于屈光镜片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。内反射也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（图3－7）。

图3－7　“鬼影”

（3）眩光　镜片的后表面（凹面）产生的反光会使我们产生眩光，降低视物的对比度。如同所有光学系统一样，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，两个相邻点的感觉是由两个并列的或多或少重叠的模糊圈产生。只要两点之间的距离足够大，在视网膜上的成像就会产生两点的感觉，但是如果两点太接近，那么两个模糊圈会趋向重合，被误认为是一个点。

可以用判断对比度的关系来量化这种现象，表达视力的清晰度。对比度值必须大于某一确定值（觉察阈，相当于1°～2°）才能确保眼睛辨别两个邻近点。

对比度的计算公式为：

C＝（a－b）/（a＋b）

其中C为对比度，两个相邻物点在视网膜上所成像的感觉最高值为a，相邻部分的最低值为b。如果对比度C值越高，说明视觉系统对该两点的分辨率越高，感觉越清晰；如果两个物点非常接近，它们的相邻部分的最低值比较接近于最高值，则C值低，说明视觉系统对该两点感到不清晰，或不能清晰分辨。

让我们模拟这样一个场景：夜晚，一位戴镜驾车者清晰地看见对面远处有两辆自行车正冲着他的车骑过来。此时，尾随其后的汽车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两个被观察点的强度（自行车车灯）。所以，“a”段和“b”段的长度增加，既然分母（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两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。由此可见，减反射膜对夜间驾驶的戴镜者而言非常重要。根据University of Wales－College of Cardiff的研究显示，减反射膜对屈光不正戴镜者眼前闪光灯刺眼后稳定对比度的恢复时间，如表3－11所示。

表3－11　眼前闪光灯刺眼后稳定对比度的恢复时间

（4）透光率　光线通过镜片而没有被反射和吸收的量与入射光总量的比值。反射光占入射光的百分比取决于镜片材料的折射率，可通过反射率公式进行计算（表3－12）。

表3－12　不同折射率镜片的透过量比较

由此可见高折射率的镜片如果没有镀减反射膜，反射光会给戴镜者带来的不适感比较强烈。

2．镀减反射膜的原理　减反射膜是以光的波动和干涉为基础的。两个振幅相同、波长相同的光波叠加，那么光波的振幅增强；如果两个光波振幅相同，波程相差λ/2的两个光波叠加，会互相抵消。利用这个原理，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（图3－8）。

图3－8　减反射膜原理

（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。

式中，n₁为镜片材料的折射率，n为膜层材料的折射率。

（2）光程条件　膜层厚度就为基准光的1/4波长。

d＝λ/4

例如：λ＝555nm时，d＝λ/4＝555/4＝139nm

对于减反射膜层采用人眼敏感度较高的光波（波长为555nm左右的黄绿光）时，当膜层厚度过薄（d≤139nm），反射光会呈现出浅棕黄色；如果呈蓝色则表示镀膜的厚度过厚（d≥139nm）。例如镜片材料的折射率为1.523，应该采用折射率为1.234的材料作为膜层材料。但是这个折射率的材料找不到，因此采用折射率是1.38的MgF₂。如果设计光波长为λ＝550nm时，膜层的厚度e＝555/（4×1.38）＝100nm。

3．减反射膜的特性

（1）减反射效果　我们一般把对镜片反射光的描述用一个反射光谱图来表示（图3－9）。纵坐标是反射率，横坐标是光波长。

图3－9　反射光谱

上方的横线为普通折射率没有镀减反射膜时单面反射光曲线。这条线表示不同波长的光反射量均匀，都在4%左右。反射光呈现白光（或无色）。下面的一条曲线表示镀减反射膜镜片反射光的光谱图。曲线表示在不同的波长段反射量是不同的，最低的部分在460nm左右，在其他的波段比如在可见光的两头，400nm和700nm处，反射量还是很高的。此曲线表示镜片镀了单层减反射膜，但是减反射效果不理想。

（2）多层减反射膜　近年来在这方面的技术发展很快，使得树脂镜片的减反射膜的减反射效果大大提高。

图3－9中表示的曲线为采用新的工艺所产生的减反射膜的反射光曲线。新工艺主要有两种方法，一种是采用不同的新材料和不同的膜层厚度，例如膜层为7层或8层；另一种是采用两种不同的膜层材料，采用厚薄交替的4层膜。这种多层减反射膜的方法，使得减反射的效果大大提高。而且膜层之间的结合、膜层与镜片片基的结合也很理想。

（3）减反射膜层的剩余反射光的颜色　镀减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。在图中我们可以看到在400nm（蓝色）和700nm（红色）处的反射量还是比较大的，这些不同颜色的反射光综合起来使我们的视觉效果是看到镜片的表面呈紫色。图3－10中表示的两种反射光的两条曲线非常低，表示减反射的效果良好，但是在不同的波长段的反射量不同，表示总的剩余反射光颜色是略有差异的。对于戴镜者来说，希望左右眼镜片剩余反射光的颜色一致，这一点对于零星加工比较容易达到，但是生产大批量镜片，比如几百万片镜片达到一致的颜色是极其困难的，必须要用严格的工艺予以控制。经常有人问：什么颜色对视觉好？有的戴镜者喜欢镜片显示绿色剩余反射光，也有人喜欢紫色。但目前的研究认为，剩余反射光的颜色，对于视觉并没有好坏的区别。但是，由于黄绿色（550nm左右）处于可见光波段的中间（可见光为380～780nm），如果存在轻微色差，人眼很容易发觉；而镜片的反射光呈紫色光表示反射光处于可见光波段的两侧，因此即使存在轻微的色差，人眼不容易发觉。

图3－10　两种不同的膜层材料反射光谱

我们也会发现残留颜色在镜片凸面及凹面中央部分和边缘部分的颜色会有些差异，而且凸面和凹面的反射光也会有差异。这主要是因为减反射膜是采用真空镀膜法。当镜片的一个表面完成镀膜后，再翻过来镀另一表面；而且镀膜时，曲率变化较小的部位容易镀上，因此在镜片中央部分已达需要的膜层厚度时，镜片的边缘仍然未达到需要厚度；同时凸面与凹面的曲率不同也使镀膜的速度不同，因此在镜片中央呈绿色，而在边缘部分则为淡紫红色或其他颜色。

4．镀减反射膜技术　有机镜片镀膜技术的难度要比玻璃片高。玻璃材料能够承受300℃以上的高温，而有机镜片在超过100℃时便会发黄，随后很快分解。

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℃的环境下进行，否则不能附着于镜片表面，所以不适用于有机镜片。

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。提炼出氧化钛、氧化锆等高纯度金属氧化物材料可以通过蒸发镀膜工艺镀于树脂镜片的表面，获得良好的减反射效果。

以下对树脂镜片的减反射膜技术作一介绍。

（1）镀膜前准备　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。当镜片清洗后，放进真空舱内，在此过程中要注意避免空气中的灰尘和垃圾再黏膜附在镜片表面。最后的清洗是在真空舱内镀膜前进行的，放置在真空舱内的离子枪（例如氩离子）轰击镜片表面，完成此道工序后即进行多层减反射膜的镀膜。

（2）真空镀膜　减反射膜的生产工艺要求极高，这些要求包括：①将全透明的、折射率非常精确的材料镀于镜片表面；②膜层的厚度需要精确控制；③膜层与镜片、膜层与膜层结合优良；④膜层表面完全光滑而无疵点；⑤镀膜后对镜片的屈光力没有改变。

要达到以上要求，目前仅有真空镀膜技术才能做到。真空蒸发工艺能够保证将纯质的镀膜材料镀于镜片表面，同时在蒸发过程中，对镀膜材料的化学成分严密控制。真空蒸发工艺能够对膜层的厚度精确控制，精度达到±5A。

（3）膜层牢固性　对眼镜片而言，膜层的牢固性是至关重要的，因为戴镜者在各种不同气候中生活，都要擦洗镜片。因此膜层的牢度是镜片重要的质量指标。镜片的质量指标包括镜片抗磨损、抗腐蚀（汗水，潮湿，海风）、抗温差等；而且镜片还必须经受时间的考验，在戴镜者使用了一段时间后性能不变。因此，现在有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：沸腾/冷盐水试验、去离子冷/热水试验、钢丝绒摩擦试验、橡胶摩擦试验、溶解试验、黏着试验、乙醇和其他溶剂的浸泡试验、温差试验和潮湿度试验等。

（三）抗污膜

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，例如，戴镜者戴上减反射膜镜片几小时，镜片上往往会出现一层油污，而且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微孔结构，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，而且为了不改变减反射膜的光学性能，必须是一层非常薄的顶膜。

2．工艺　抗污膜的材料以氟化物为主，有两种加工方法，一种是浸泡法，一种是真空镀膜，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减反射膜上。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，使油和水滴不易黏附于镜片表面，故也称为防水膜（图3－11）。

图3－11　防水膜与复合膜系统

对于树脂镜片而言，理想的表面处理应该是包括耐磨损膜、多层减反射膜和顶膜抗污膜的复合膜。通常耐磨损膜镀层最厚，为3～5μm，多层减反射膜的厚度约为0.3μm，顶膜抗污膜镀层最薄，为0.005～0.01μm。复合膜的常规镀制过程为：在镜片的片基上首先镀上含有机硅的耐磨损膜，然后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金属材料等进行多层减反射膜层的真空镀制，最后再镀上使油和水滴与镜片表面呈一定接触角度（105°～110°）的防水抗污膜。也有将多层减反射膜和顶膜防水抗污膜合成一次完成。

为了满足戴镜者对眼镜片清晰、美观、舒适、耐用等性能不断提出的要求，近年来眼镜片的表面处理技术有了飞速的发展。另外，由于镜片的表面处理具有比较高的商业附加值，又促使生产商和销售商不断增加这方面的投资，加速了这一技术的发展。随着中高折射率树脂材料市场的不断扩大，镜片表面处理技术越来越得到重视，因为中高折射率树脂材料的耐磨性普遍低于CR－39，而且折射率越高，镜片的反射光也越多。