镜片制造工艺介绍

眼镜片的材料特性与制造工艺基础§第一章眼镜片基础知识►眼镜片是用来矫正屈光不正、保护眼睛的光学透镜。►眼镜片的屈光与成像理论遵循几何光学的定理和定律。§1—1眼镜片材料简史一；眼镜片材料的发展简史1：13世纪，生产出折射率为1.50的眼用玻璃镜片。2；18世纪，生产出冕牌玻璃镜片♀3：19世纪下半叶，燧石玻璃镜片诞生，折射率为1.70，但色散明显。4：20世纪60年代，折射率为1.50的CR39树脂镜片与光致变色玻璃开始应用。5：20世纪80年代，聚碳酸酯（PC）材料应用于镜片，折射率为1.60的玻璃镜片与树脂镜片出现，折射率为1.50光致变色树脂镜片开始得到应用。6：20世纪90年代，高折射率的树脂材料与新一代树脂变色材料问世，折射率为1.90的玻璃材料出现，改进后的材料面市。在20世纪下半叶，眼镜片领域的主要代表性的成果有：树脂材料的问世，变色材料出现与推广，渐进多焦点镜片与隐形眼镜的广泛应用。♀二：眼镜片的复合系统。►现代眼镜片是一组复杂的光学系统，它是赋予了特性的多种材料与膜层的组合体。以镜片开始由内到外分别是镜片的片基，染料，抗冲击膜，耐磨损膜，减反膜及顶膜，♀§1—2眼镜片的形状一.眼镜片的毛边形状1.毛边眼镜片——已完成表面光学加工，尚未按镜架尺寸和几何形状磨边加工的镜片。2.毛边镜片的形状主要有两种：圆形，矩形。国内外毛边镜片的形状，绝大部分为圆形。二.眼镜片折射面的剖面形状把眼镜片沿折射面中央截开，就可以看到剖面形状。1.正镜片负镜片棱镜片2.双凸，平凸，凹凸（新月型）双凹，平凹，凹凹（新月型）三棱镜，凸凹棱镜♀三.眼镜片折射面的形成1.正镜片（凸镜片）折射面的形成。2.负镜片（凹透镜）的折射面的形成。♀§1—3眼镜片的性质一.正镜片的性质正镜片为凸透镜，会聚透镜，俗称老光镜、远视镜等。1.平行光线通过正镜片后，会聚成一点F`该点F`称为焦点，焦点F`与镜片的距离称为焦距f`。2.正镜片的焦点在入射光线的对侧，我们称该焦距为正焦距，屈光度是焦距的倒数，也为正值。3.正镜片的中央厚,边缘薄。4.正镜片与眼睛结合成一个光学系统，使平行光线经镜片、眼睛折射后，使远视眼焦点过后的情况得到改善，起光学矫正的效果。♀二.负镜片的性质负镜片也称为凹透镜，发散透镜，俗称近视镜。1.平行光线通过负镜片后发散，不能形成一点。2.但从发散光线的反向延伸，可在入射光线的同侧形成焦点F`，我们称该焦距f`为负焦距，屈光度为负值。3.负镜片的中央薄,边缘厚。4.负镜片与眼睛结合成一个光学系统，使平行光线经镜片、眼睛折射后焦点距离变大，使近视眼焦点过前的情况得到改善，起光学矫正的效果。♀三.会聚光线，发散光线都是棱镜折射的结果。正镜片与负镜片都可看成是无数多个三棱镜组成，光线通过三棱镜折向底边，所以形成了正镜片的会聚光线及负镜片的发散光线。♀§1—4眼镜片的分类眼镜片的分类，可按用途、材料、性质、规格、设计、加工等划分。一.按用途分类1.矫正视力镜片单焦点（单光）多焦点双焦点（双光）三焦点（三光）渐变多焦点（渐进片）2.遮阳、防护镜片吸收式反射式♀二.按材料分类1.光学玻璃镜片：白托片；克斯片；克塞片；超薄镜片。2．光学塑料镜片：PMMA，HEMA（软性CL镜片）；CR—39；PC。三，按性质规格分类1、按性质分：正镜片；负镜片；柱镜片；球柱镜片；三棱镜片。2、按规格分：Ø60；Ø65；Ø70；Ø75；Ø80四．按加入不同金属氧化物或染色产生颜色分类1.无色透明镜片2.有色透明镜片3.光致变色镜片♀五．按表面设计、加工形式分类1.球面镜片2.环曲面镜片3.非球面镜片4.缩径镜片（草帽片）5.等曲率削薄镜片六．按表面加膜处理分类1.减反膜2.加硬膜3.憎水膜4.彩色膜5.保护膜♀§第二章眼镜片的材料与性能要求§2—1眼镜片的性能要求一.镜片材料的性能要求。►眼镜是矫正视力、保护眼睛的医疗器具，所以对镜片材料的要求很高，一般可归纳为以下要求1.用来制造镜片的材料的折射率、比重、阿贝数三要素的物理光学指数，必须达到一定的标准，而且要稳定。2.对可见光有较高的透过率，对紫外线、红外线等有害辐射线有吸收作用。3.镜片表面耐磨性好，抗老化性能好，化学稳定性能好，防霉性能好。4.热膨胀少且易加工。♀二.镜片材料的光学性能1.折射率n。1)折射——光线从一种透明物体斜射入另一透明物体，其传播方向改变的现象。2)折射率：①理论上定义：光线在真空中（空气）的传播速度与光线在某该种透明物体中传播速度之比。n=真空中的光速/透明物体中的光速。②实验室测定折射率：入射角（入射光线与界面法线的夹角）正弦值与折射角（出射光线与界面法线夹角）正弦值之比n=sini/sinj♀3)镜片材料的折射率在真空（空气）中，各色光的光速一致，但由于每个单色光的波长不相同，所以在各光密度不同的物质中，速度也不相同，（波长越短，速度越快，所以，紫外光折射率最大，红外光折射率最小）4)折射率不同同一屈光度的镜片厚度也不相同。折射率越大，镜片厚度（正镜片中心厚度，负镜片边缘厚度）越小。♀2.阿贝数Vd1)色散——不同波长的光经同一光学玻璃折射后，由于折射绿不同而分开的现象。例如：白光（阳光——七色光混合）通过三棱镜后形成彩虹七色光带。2)阿贝数Vd是衡量色散大小的一个指标，习惯上用色散率的倒数Vd=（nd-1）/（nF-nc）（nF-nc）——平均色散nF——氢的F线486.1nm的紫光的折射率nc——氢的C线656.3nm的红光的折射率阿贝数Vd越大→色差越小→镜片品质越好。3)折射率高的材料，一般色散也较高，配戴此类镜片时，可能出现成像颜色的偏差，影响视觉效果，例如：白色物体边缘出现有红至蓝的色带。♀三：镜片材料的物理机械性能机械物理性质反映了材料的质量，及对变形与冲击的抵抗力，常用的有：1、比重γ（伽玛）比重——物体的重量与体积温度为4℃的纯水的比重之比。单位g/cm3（吨/米3）一般来讲，折射率越高的材料，其比重也越大。N=1.7光学玻璃超薄镜片比n=1.523光学玻璃普通镜片厚度虽有减薄，但重量并没有明显下降。2、硬度：与表面质量有关的机械指标，可用硬度仪来精确测定,对光学玻璃来说，其硬度约为520kg/平方毫米显微硬度。3、抗冲击性；常采用由美国食品与医物管理局（FDA）规定的落球试验来进行。（即使用一个16克钢球从1.27米高处对准镜片中心落下）。♀四：镜片材料的其它性能1、热性质：如材料的比热，熔点，热膨胀系数等2、化学性质；化学稳定性（化稳性），化学成份均勻性，抗霉变与老化性能等在诸多的性能中，我们更关注的是镜片材料三要素：折射率，阿贝数与比重。♀§2—2眼镜片的常用材料镜片材料要透过可见光，所以必须是透明的，透明不一定就是无色，按需求可以是无色透明和有色透明。主要材料有三种。一.天然水晶水晶又称石英，化学成份为二氧化硅SiO2纯水晶中的SiO2的含量可达99.99%以上，水晶的最大优点是透光率高，硬度大，是光学透镜的优良材料。但由于水晶对各种光线的高透光率，包括紫外线和红外线的高透过率，所以是不宜作室外用眼镜片的原因，此外，水晶晶体有双折射现象n1=1.554，n2=1.553。所以有复视现象，水晶晶体生长缓慢，价格昂贵，因此，水晶不是眼镜片的合适材料，目前已被光学玻璃镜片取代。♀二.光学玻璃。光学玻璃是熔体经过冷却而获得的一种无定型物质。具有较高的硬度，较大的脆性，对可见光有较高的透明度，对紫外线，红外线等有害辐射线有较高的吸收性。主要成份是二氧化硅，其次是三氧化硼和五氧化磷，加入不同的金属氧化物，可以改变光学玻璃的某些特性，如透光率，对可见光谱的吸收选择性，硬度，折射率等，从而分为不同的品种。光学玻璃具有各项同性的特点，其折射率，硬度，弹性模数等在各方向测得的数值相等。光学玻璃按其氧化物成份不同可分为以下二类♀1.无色光学玻璃1)冕牌玻璃（皇冠玻璃），用K表示，折射率1.523左右。2)火石玻璃（低密度高折射率玻璃）用F表示。折射率为1.6~1.9左右，也就是俗称超薄镜片。2.有色光学玻璃。在无色光学玻璃的原料中加入一种或多种金属氧化物为着色剂而制成，它具有选择吸收可见光谱内一定波长范围的光的特性，常用于防护眼镜（太阳镜，工业防护镜）♀三.光学塑料1.光学塑料是以人工合成树脂为主要成份再加入各种添加剂而模塑成型的透明高分子有机化合物。自从1940年塑料镜片问世以来，由于它具有重量轻，耐冲击，染色方便等优点，市场占有率迅速增长，随着科技的发展，光学塑料镜片的最大缺点：易磨损问题也可通过表面加硬技术加以解决。♀2.塑料按加热后的特点分为热塑性塑料，热固性塑料两大类。（1）热塑性塑料：加热→软化→冷却→固化。可逆废料可以回炉再利用。例如：聚乙烯，聚氯乙烯等（2）热固性塑料：成品加热→不软化→强热→碳化分解，不可逆废料不能回炉再生利用。例如：酚醛塑料（胶木），密胺等♀3．光学塑料镜片的主要材料（1．）PMMA塑料：化学名称为聚甲基丙酸类脂，市场称：有机玻璃，压克力。是一种热塑性塑料，其折射率n为1.498，比重为1.19g/cm3，阿贝数V为58，透光率约为95%，具有高透明度，容易进行模型和机械加工，价格便宜等优点，缺点则有，吸湿性大，容易变形，表面硬度差，并能透过紫外线，染色后也不宜制作太阳镜，只能制作室内用镜。（2．）CR—39塑料化学名称为：碳酸炳烯乙酸。俗称：哥伦比亚树脂，市场称为树脂片，室一种热固性塑料，其折射率为1.489，比重为1.32g/cm3，阿贝数V为56，透光率约为92%，能吸收99%以上的紫外线，耐温在-40°~150°之间，可制作近视，远视，双光，渐变镜，散光等各类镜片，染色后可制作各种遮阳镜。♀（3．）PC塑料化学名称为聚碳酸脂。市场称为太空片，宇宙片，也是一种热塑性塑料，最大特点是抗冲击性能好，质轻，其折射率为1.586，比重为1.20g/cm3，阿贝数V为30，能吸收全部紫外线。CR—39镜片，PC镜片的市场远景很好，是非常理想的光学玻璃的更新换代的新品种。许多国家都立法，青少年，老年人，司机等配镜者都必须使用光学塑料镜片，不能采用光学玻璃镜片，以免镜片碎裂时，伤害眼睛。♀§第三章眼镜片的加工工艺§3－1光学玻璃镜片的加工制造一.光学玻璃镜片毛坯的热加工光学玻璃镜片毛坯现在采用连续溶化一次成型加工技术。（一.）生产工艺流程图配料→熔化→压型→退火→检测→入库♀（二）：各生产工序简介1.配料：影响光学玻璃质量的因素很复杂，而原料的配制是主要的影响因素，必须严格加以控制，秤量时，极小的误差就会引起折射率及性质的改变，配方秤量时采用万分之一精度的磅秤进行秤量，原料按配方秤量后，在V型混料机中混合均匀后装袋。2.熔炼：包括熔化、澄清、调整匀化、分配四个工步。（1）熔化：用电加热或煤气、天然气加热池炉，使原料熔化为粘流态。（2）澄清：原料熔化后产生大量气泡，必须进行脱泡处理，气泡上升速度与玻璃液粘度成反比，而粘度与温度成反比，所以，提高温度使粘度下降来加快脱泡。♀（3）调整匀化：调整是指降温来增高玻璃液粘度，使其满足成型要求的粘度。均化是指把澄清池中温度高，粘度小，料质步均匀的玻璃液在调整匀化池中充分搅拌，使其料质均匀并达到光学质量的要求。在调整均化中是一边降温，一边不停搅拌。（4）玻璃粘液分配：玻璃液由铂金供料管精确控制温度以调节粘度及流量后流出，用特种钢的剪刀切成要求重量的料滴。3.自动压型：具有合适粘度及要求重量的玻璃液料滴，注入模具型腔内，经自动压型机压制成镜片毛坯。♀4.退火：压制后，经取出装置使镜片毛坯脱离模具进入网带退火炉，镜片毛坯重新被加温到退火温度，保持一段时间，然后按控制的速度降温以消除内应力。5.检测入库：镜片毛坯退火消除内应力后，进行各项物理特性及外观质量的检测，剔除不合格产品。检测的主要项目有：折射率，阿贝数，内应力，条纹，气泡，直径，曲率，中心厚，边缘厚，等。光学玻璃眼镜片的连熔成型工艺，工序少，自动化程度高，成品率达80％以上，目前世界上采用的先进工艺。♀二.光学玻璃镜片的冷加工眼镜片冷加工是将已热压成