镜片中的科学 篇七:主流眼镜镜片材料性能及选择要点

2019-08-14 16:14:49 32点赞 208收藏 47评论

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现在去配副眼镜,大部分时间可能都集中在验光选镜架上:验光花时间可以理解,毕竟都要进行主观和客观验光。镜框花时间也好像可以接受 - 需要选择适合自己脸型的,美观的,戴起来好看自然很重要。来来去去镜片有时候倒像个副产品,选什么镜片材料凭销售推荐。这样的后果就是,一些眼镜店,可能不会从用户的角度,而是从自身利润的角度来进行推荐,由于信息不对称,用户通常也就接受了。

为了让非业内用户也能选到合适的镜片产品,本文从镜片材料特性的角度,介绍当前眼镜镜片主流使用的材料(树脂为主),以及如何根据自身的需求和应用来进行正确地进行选择。

镜片材料介绍

1. CR39(1.5折射率)

上世纪中叶左右,由美国PPG公司开发的CR39树脂(最初被用作为轰炸机油箱材料)首次被美国Armorlite公司用作为镜片。由于其适中的折射率,高阿贝系数(58),从而在镜片行业得到了广泛的应用,并且业内通过不断地工艺优化,CR39镜片产品良率得以逐年提高(见下图)。最早开始生产CR39镜片的公司除了Armorlite之外,还有法国依视路和澳洲的苏拿光学(现蔡司光学)。

苏拿光学上世纪CR39镜片的缺陷率(来源:SOLA History网站)苏拿光学上世纪CR39镜片的缺陷率(来源:SOLA History网站)

CR39的特点是高阿贝数,高透明度,较强的耐磨损性能(未镀膜情况下),较低的密度(比玻璃镜片约轻一半),良好的染色性能,耐溶剂耐化学性能和耐热性能。而且因为生产工艺成熟,成本低,直到目前仍然是镜片行业内的主流材料之一。

不过,CR39材料较脆,抗冲击性能和抗张强度不如其他材料,因此不适用于无框眼镜(钻孔时镜片容易破裂),同时,它的折射率也最低,度数较高时镜片比较厚。

CR39未镀膜的耐磨损值为1.0,被用作基准CR39未镀膜的耐磨损值为1.0,被用作基准

2. 1.53 Trivex

1.53 Trivex也是PPG开发的树脂材料,同样是由军事用途转民用从而用作眼镜镜片材料的。Trivex材料的质轻抗冲击性能好是其最大特点。所以它通常被用来和PC(聚碳酸酯)镜片来比较。Trivex在具有PC片同等抗冲击性能的同时,又有着耐化学溶剂耐划伤的优点。而且阿贝数还比PC高出14左右。

阿贝数是什么概念呢?它可以代表材料的抗色散能力,阿贝数越高,意味着同样条件下色散越轻微,具体可以参考以下示意图,其基本原理是日光在发生偏折时,不同颜色的色光具有不同的折射率,偏折能力不一导致的颜色分散。色散一般出现在镜片边缘,因为这个位置的偏折比例最大。

Trivex材料折射率较低,在视力矫正上和CR39的应用范围接近,但由于其优良的抗冲击性能,以及低密度的优势,镜片比CR39更轻薄,安全性也更好

左:低阿贝数材料;右:高阿贝数材料左:低阿贝数材料;右:高阿贝数材料

3. 1.56中折射率材料

1.56材料有几种,主流是在CR39材料中混入少量带苯环结构的组分,从而提升折射率。有一个有趣的现象:1.56在国内使用特别普遍,占比远超过CR39,与之相对的,在全球市场上,1.56占比最低。这是为什么?

其原因大概是1.56折射率较1.5稍高,被分类在“中等折射率”范畴,制造成本差不多,却可以定较高的售价。

1.56材料与1.5相比,除了折射率外,其他性能与1.5类似,而阿贝数(36)却大幅低于1.5 CR39(58),甚至也明显低于1.6(41)。所以在国际市场上,1.56不敌1.6,备受冷遇。

1.56材料和CR39在阿贝数上相差22,当度数较高时,带来的边缘色散已经不可忽略。

4. 1.59 PC材料

PC材料即聚碳酸酯材料(Polycarbonate),是一种热塑性的塑料,折射率为1.59,具备很强的抗冲击能力,军事上可以用作防弹眼镜,防弹头盔等等。用在眼镜上,可以不用担心镜片破裂的问题,适合用做无框眼镜。而且折射率比CR39高,镜片可以做得更轻薄。但是它作为热塑性的材料,其加工性能和耐化学性能不佳,未镀膜时表面也很容易划伤,不耐磨损。此外它的阿贝数为30,和CR39相比,足足相差28!

由于1.56镜片统领市场的原因,PC镜片在国内不多见,但在国外特别是美国市场则占主流地位。除开价廉(比Trivex便宜)的优势之外,PC镜片因为抗冲击性优良,从而得以在推行强制FDA落球实验的美国市场发展壮大。

落球测试示意图落球测试示意图

4. MR材料(1.6MR8, 1.67MR7/MR10, MR174)

MR™是日本三井化学公司开发的一系列中高折射率树脂材料,因为全系采用聚氨酯材料(MR174为环硫材料),抗冲击性能虽不如PC和Trivex,但比CR39具有明显优势,用作无框眼镜没有问题。此外,该系列材料的阿贝数适中,耐热,耐候和耐化学性能良好,所以具备很好的综合性能。除了三井之外,PPG也有高折射率的材料,但未成为主流。

MR材料家族和主要镜片厂家MR材料家族和主要镜片厂家

5. 玻璃材料

冕玻璃是常见的玻璃镜片材料,其折射率为1.52,阿贝数为59,比CR39都要高一些。当然,从重量上来说,比CR39高出一倍的密度是它的主要劣势。事实上,除密度和抗冲击性能之外,因为玻璃微结构是规整的原子排布结构,而树脂镜片是有机分子链的无序交联结构,所以玻璃镜片的稳定性,硬度,耐磨性能均全面超越树脂,所以市场上还能见到玻璃镜片的存在。除了冕玻璃之外,玻璃材料折射率常见的还有1.7和1.8最高可达1.9(蔡司开发的材料)。由于重量(密度)和易碎的原因,玻璃镜片目前市场占有率很低。

左:无机玻璃规整结构;右:有机树脂无序结构左:无机玻璃规整结构;右:有机树脂无序结构


镜片材料选择要点

1. 折射率和阿贝数

折射率和阿贝数经常被放到一起来对比,这可能是因为两者存在一定的反相关关系:即折射率越高,阿贝数通常来说越低。如下图所示:

镜片折射率和阿贝数的反比关系镜片折射率和阿贝数的反比关系

折射率高了具体有什么好处?一般来说同等度数的镜片可以做得更薄。而阿贝数低有什么坏处?在度数较高的时候,当注视高光区域例如点光源时,在视觉边缘区容易出现色散现象(彩虹条纹)。具体可以看以下两张对比图,Trivex在镜片边缘的色散现象比PC更轻微。所以,在选择镜片材料的时候,并不是折射率越高越好,而是要看具体的需求和平衡。

Trivex(阿贝数43)的色散程度低于PC(阿贝数30),图中镜片度数约800度Trivex(阿贝数43)的色散程度低于PC(阿贝数30),图中镜片度数约800度

折射率越高,镜片整体越薄,也越平折射率越高,镜片整体越薄,也越平


2. 密度

密度是材料方面影响镜片重量第二个关键指标第一个指标是折射率),这是因为密度越低,镜片也就越轻。例如折射率1.67和折射率1.74的镜片,从折射率的角度来说1.74占优,但因为1.74的密度要高于1.67(1.47 vs 1.35 g/cm3), 最终镜片1.74会更薄,但在重量上区别可能并不明显。

3. 抗冲击性能

抗冲击性能和佩戴安全是直接相关的,抗冲决定了镜片对外来作用力的耐受能力,即在镜片受到撞击,或者跌落时,镜片可以保持完整的形状而不破裂,从而杜绝镜片碎片对人眼可能造成的严重伤害。在树脂镜片材料中,抗冲击性能最好的材料有PC和Trivex,可以达到防弹级别的性能。其次是高折射率材料,最差的是1.5和1.56

除安全方面外,抗冲击性能还是影响镜片重量第三个指标:抗冲击性能好的镜片,一般来说镜片可以做得更薄,例如Trivex的镜片,厚度最低可以到0.9 mm,低于MR8常见的厚度的1.1mm,在密度方面它也显著低于MR8 (1.11 vs 1.3 g/cm3),所以尽管两者存在折射率上的差距 (1.53 vs 1.60),在最终镜片重量上,也可能差不多。

4. 染色性能

染色性能表征的是染料通过浸染方式进入镜片基材的难易程度。对于太阳镜片,时尚染色镜片来说比较关键。对于非染色用作视力矫正用途的镜片来说,并没有什么意义。此外,染色性能只能在非镀膜情况下评估 - 镜片一旦镀膜后,由于表面硬度的提高,染色就变得很不容易了。在选择镜片材料的时候,染色性能可以不考虑。

5. 热稳定性

热稳定性决定了镜片材料的耐热程度,直观地来说,镜片在高温下是否能够保持其形状和尺寸稳定。镜片热稳定性不好,容易出现镜片变形或镀膜镜片膜层裂开等问题。针对膜层问开裂的问题,在常见的镜片材料中,热稳定性排序依次为:PC>MR系列>CR39/1.56/Trivex。不过,除了镜片放到车内曝晒等极限情况,一般不用过于担心热稳定性。对于将镜片放到车内的用户,知乎有一篇测试文章做了车内的对比:可以看到由于CR39材料的热膨胀系数较大,膜层开裂比MR8要严重得多。除了镜片材料外,膜层本身的设计和工艺技术水平的也有一定影响,从膜层耐久性出发,镜片材料相同的情况下,强烈建议选择主流厂家的产品。

夏天车内温度可高至90度 - 图片来源:知乎夏天车内温度可高至90度 - 图片来源:知乎

6. 耐磨性能

在镀膜技术出现前,大家佩戴的基本都是未镀膜镜片,这个时候镜片材料表面的耐磨性能十分关键。在加硬和镀膜技术广泛应用之后,镜片表面的耐磨性能由膜层来决定,镜片材料本身的耐磨性能已经不重要了。关于镀膜的一些技术细节可以参考:蔡司钻立方铂金膜 | 豪雅唯钻镀膜拜耳硬度是常用的评估手段。

蔡司主页钻立方的技术说明蔡司主页钻立方的技术说明

镜片材料总结

几句话总结一下:

  • 折射率越高(镜片越薄,越平),但相应地阿贝数越低(边缘色散越严重),所以轻薄也是有代价的。

  • 较低的密度和优秀的抗冲击性能也能有利于镜片轻薄(典型代表Trivex)

  • 材料(膜层)热稳定性:PC>MR系列>CR39/1.56/Trivex,膜层本身技术水平也会有较大影响

  • 耐磨性能更多由表面膜层决定,和材料本身基本无关

  • 非特别应用场合,玻璃镜片个人不作推荐

下面针对典型的用镜需求做一些推荐:

  • 度数较低(近视400度以内,老花200度以内)

    这个区间内可以随便选,在这个度数区间范围内,色散不成为问题。预算较低的选择CR39(1.5折射率),需要做无框或抗冲击性能好的可以选用PC(1.59折射率)或Trivex(1.53折射率),预算高的的可以选择MR8(1.6折射率),1.56有点高不成低不就,不太推荐;MR7|MR10(1.67折射率)以及MR174(1.74折射率)价格过高,不需要也没必要。

  • 度数较高(近视400到800度,老花高于200度)

    这个区间内建议镜片折射率在1.6到1.67之间,度数不过高的情况下首推MR8(折射率和阿贝数较好的均衡),然后是MR7 | MR10(边缘视觉可能会感受到色散)。对于近视高度数,注重轻薄的可以选择更高的折射率如MR174。

  • 近视度数高于800度

    这个范围必须选择折射率较高的镜片,起步为MR7|MR10,然后是MR174或同等折射率的其他材料。

最后展开说一下,除开材料因素外,镜片厂家的光学设计(球面/非球/定制片等),加工方法(美薄vs非美薄),镜架镜框尺寸设计等因素都可能影响镜片的“轻薄”。不过,合适的镜片材料依然是最重要的基础条件。

材料性能汇总表材料性能汇总表


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