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光學眼鏡鏡片材料特性

作者:佚名    初審:    終審:    來源:溫醫眼視光醫院茶山門診部    發布時間:2006-11-20 00:00:00       【打印文章】

??? 眼鏡片的光學目的旨在通過配戴矯正鏡片使屈光不正的眼睛恢復清晰視力,所以在選用鏡片材料時需要考慮以下這些與鏡片屈光作用密切相關的因素:
??? 1、材料的幾何特性:曲率半徑、表面形狀等;
??? 2、材料的物理化學特性:折射率、阿貝數等。

??? 鏡片材料的研究發展主要是為了獲取并控制這些相關因素,了解并掌握其特性,以使不斷完善、發展鏡片的光學矯正效果。

??? 鏡片材料的基本特性有:
??? 1、光學性質,計算屈光作用和控制光學性能;
??? 2、機械和熱性質;
??? 3、電性質材料;
??? 4、化學性質通過外界所可能接觸的化學物質了解材料的相應變化。   

一、 光學性質:光學性質是材料的基本性質,與鏡片在日常生活中所見到的各種光學現象相符合,主要為光線在鏡片表面的折射和反射、材料本身的吸收,以及散射和衍射現象。
??? (1)光線折射:通過鏡片的光線會在鏡片的前后表面發生折射或偏離現象,光線的偏離幅度由材料的折射率和入射光線在鏡片表面的入射角度決定。
??? 1)折射率:透明媒質的折射率是光線在真空中的速度c與在媒質中的速度v的比值,
n=c/v。該比值沒有單位并且總是大于1。折射率反映媒質的折射能力,折射率越高,從空氣進入該媒介的光束偏離得越多。從空氣到折射率為n的透明媒質所發生的偏離或折射可以根據斯涅耳-笛卡爾定律(Snell-Descartes Law)進行計算,規定如下:折射光線與入射光線和法線位于同一平面入射角i和折射角r分別由法線與入射光線、折射光線構成。計算公式: sin i=n sin r
  由于透明媒質的光速隨著波長而變化,所以折射率的值總是參考某一特定波長表示:在歐洲和日本,參考波長為e線546.07nm(汞--綠光譜線),但是在美國等其它國家則是d線587.56nm(氦--黃光譜線)。但這個區別并沒有造成實際影響,因為它的區別僅僅反映在折射率值的第三位小數上。
  目前市場所采用的鏡片材料的折射率范圍是從1.5--1.9。
??? 2)色散系數:阿貝數。
  由光波引起的折射率變化會使白光根據不同的折射產生色散現象。事實上,波長越短,折射率越高,可見光的折射從光譜的紅光區延伸到藍光區。材料的色散能力可以由阿貝數描述,在歐洲、日本規定用e線,在美國等其他國家規定使用d線。
??? 阿貝數與材料的色散力成反比,鏡片材料規定的范圍通常從30-60,數值越大即表示色散越少。一般而言,折射率越高,色散力越大,而阿貝數就越低。盡管所有鏡片都存在色散,但在鏡片中心,這個因素可以被忽略,只有在用高色散材料制造的鏡片周邊部,色散現象才易被察覺。在這種情況下,色散現象所表現的是離軸物體邊緣帶有彩色條紋。
??? (2)光線反射
  光線在鏡片表面產生折射的同時,也會產生反射現象。光線反射會影響鏡片的清晰度,而且在鏡片表面會產生干擾性反射光。通常,鏡片材料的折射率越高,因反射而損失的光線就越多。當然,對于干擾性反射光可以通過在鏡片表面鍍多層減反射膜而相應抵消。
??? (3)光線吸收:材料的本身吸收光的特性會減少鏡片的光線透過率,這部分的光量損失對于非染色眼鏡片是可以忽略的,但如果為染色或變色鏡片,光的吸收量會很大,這也是此類鏡片的設計目的。眼鏡片的光線吸收通常指材料內部的光線吸收,可通過鏡片前、后表面吸收光線的百分比表示。例如,30%的光線吸收相當于30%的光通量在鏡片內部的減少。材料的光線吸收遵循郎伯(Lambert′s Law)定律,它根據鏡片的不同厚度呈指數性的變化。
  鏡片的光線透過率
  鏡片的光線透過率指光線通過鏡片而沒有被反射和吸收的光的總量。通過鏡片抵達眼睛的光通量ΦΥ相當于鏡片前表面的入射量Φ,減去鏡片前、后表面的反射量Φρ,減去可能被材料吸收的流量Φα,即ΦΥ+Φρ+Φα=Φ。因此,戴鏡者的視覺受三方面的綜合影響:入射光的強度和入射光譜范圍、鏡片吸收和對光譜的選擇、以及眼睛對不同可見波長的敏感度。
??? (4)光線散射和衍射
??? 1)散射:散射是光線在各個方向上被散播的一種現象,它一般在固體的表面以及透明材料的內部產生。理論上眼鏡片表面沒有散射發生,因為鏡片的磨片過程(拋光)消除了這一現象。然而當鏡片由于外界污染而弄臟或表面由于油漬而模糊不清時會產生散射。同時鏡片內部的菜射也非常有限,只在偶爾情況下,可能會使鏡片呈現黃色或乳白色。目前合格的眼鏡片只有非常少量的散射光線產生,通常可以忽略不計。
??? 2)衍射:衍射是當光波遇到小障礙而改變行徑方向的一種現象。在眼鏡光學里,衍射現象是需引起重視的,因為衍射會使鏡片表面產生異常干擾,尤其是在使用不當或不小心在鏡片表面造成的磨損的情況下。

二、 機械性質
  機械性質通常反映塊狀固體材料的特性,它規定了材料的質量、體積和尺寸,以及材料對變形和沖擊的抵抗力。我們常見的反映鏡片機械性質的特性有:1、比重;2、硬度;3、彈性系數E(或楊氏系數):壓力和在排除壓力后恢復最初形狀時產生的相應變形之間的比率。4、抗沖擊性:常采用由美國食品和藥物管理局(FDA)規定的一項落球試驗表示。落球試驗即使用一個16克的鋼球從1.27M高處對準鏡片中心落下的測試。5、抗斷開點:采用由歐洲標準化委員會制定的"100牛頓"CEN靜態變形測試。該測試是在一個恒定速度下增加壓力直到100牛頓。

三、 熱性質
  熱性質描述了關于材料的變化狀態以及溫度影響下的特性。
  熱性質主要包括:1、熱傳導系數。2、比熱:物體溫度每升高一攝氏度所需的熱量與相同質量的水溫每升高一攝氏度所需的熱量的比值。3、線性膨脹系數:預先設定的溫度范圍。4、熔點:物理常數。5、沸點。 6、鏡片的應力溫度。

四、 電性質
  電性質表示了材料電磁波和電效應的特性,由物理定律決定,有時需將鏡片的光學性質與電性質聯系。通常材料制造進需考慮以下參數:1、介電強度;2、預定頻率下的介電損耗系數。

五、 化學性質
  化學性質反映了在鏡片制造及日常生活中,鏡片材料對于化學物質的反應特性,或是在某些極端條件下材料的反應特性。例如加速老化試驗是為了測試材料的可信度。測試時通常使用冷水、熱水、酸類以及各種有機溶劑,在國際標準中也有判斷鏡片材料的耐火性測試。

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